JP2020511158A - 生体物質を印刷する方法及びシステム - Google Patents

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Abstract

本開示は、三次元（３Ｄ）物質を印刷するための方法及びシステムを提供する。幾つかの例において、３Ｄ生体物質を印刷するための方法は、（ｉ）複数の細胞及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程を含む。次に、少なくとも１つのエネルギービームが、３Ｄ投影へとパターン化される少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバ中の媒体に向けられ、ここで、ｘ、ｙ、及びｚ寸法は、（ｉ）複数の細胞の少なくとも部分集合、及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体から形成されたポリマーを含む３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためにコンピュータ命令に従って同時にアクセスされ得る。【選択図】図４４

Description

相互参照
本出願は、２０１７年３月１０日出願の米国仮特許出願第６２／４６９，９４８号の利益を主張し、該出願は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
細胞生物学、マイクロ流体工学、工学技術、及び三次元印刷の分野における著しい進歩にもかかわらず、現在まで、従来の手法は、ヒト臓器を構築するのに必要な厚い組織を供給且つ支持する機能性キャピラリーを再生成することができなかった。現在まで、組織工学におけるこのような手法は、恒久的な血管新生を達成するために組織工学により作成されたデバイスへの血管の内部成長に依存している。この戦略は、膀胱壁置換などの非常に薄い組織、又は、機能に脈管構造を必要としない骨置換などの組織である、一部の組織に機能している。しかし、現行の組織工学技術は、肝臓、腎臓、厚皮、及び心臓を含む、大きな重要臓器などの複合組織の作成には達していない。より大きな組織は、より小さな組織サブユニットの組織化と見なすことができ；例えば、腎臓は数十万のネフロンユニットで構成され、肺の機能ユニット、即ち肺胞腔は、７０〜８０平方メートル（ｍ２）の組み合わせた表面積を有しているが、１つの細胞壁、即ち５〜１０マイクロメートル（μｍ）の厚みしかない。現行の組織印刷方法は、３００マイクロメートル（μｍ）よりも厚い組織を支持するのに必要な細かい微小血管系を再生成できないだけでなく、臓器機能に必要な構造的配向及びニッチへと細胞を組織化することもできない。
多光子レーザーベースの励起が、光重合反応を使用したサブナノメートルの分解能での微小構造の生成のための化学及び物理学において使用され、光重合は、物質の光ベースの重合である。重合を引き起こす二光子顕微鏡検査の使用が先ず、１９８１年に説明された。これは後に、ｘ−ｙ次元でピンポイント焦点レーザーをラスタースキャンし、行ごとに構造をなぞることによって、マイクロメートル〜ナノメートルのスケールのパーツ及びツールを構築するために使用される。二光子励起の高分解能ピンポイントにより、サブナノメートル印刷分解能、及び、光重合され得るプラスチックでの付加的な製造が可能になった。進展した二光子技術及び二光子励起がレーザースキャン顕微鏡検査と組み合わさると、生きた組織の画像化が可能になった。多光子励起に使用される、典型的に７００ナノメートル（ｎｍ）を超える長波長により、レーリー散乱の減少、蛍光プローブの最小の光ブリーチング、及び検出可能な組織毒性が最小〜全くないことに起因する、より大きな組織浸透が可能となった。故に、多光子レーザー励起は、単一光子レーザーベースの焦点画像化により達成可能なものよりも大きな深度での組織の非侵襲的画像化のために、生物学において有用となった。
二光子及び三光子の吸収によって励起される内因的プローブの使用を介した、典型的には数時間を超える長時間の生細胞画像化が、そのすぐ後に説明された。二光子画像化の第１の用途のうち１つは植物学の分野にあり、これは先ず、生細胞への二光子励起の本質的に低い毒性を説明している。神経シグナル伝達に関する研究での使用により、二光子顕微鏡検査は、哺乳動物細胞における重要な低毒性の光画像化ツールであることを実証され、ここで二光子励起は、外部刺激が適用されるまで単一ニューロンの興奮（ｆｉｒｉｎｇ）を誘発しないほど十分に軽度なものであった。２００２年に、ビデオレート二光子画像化が、リンパ節などの全体組織における哺乳類生細胞に対して毒性ではないと実証された。その後、皮膚、肺、脾臓、肝臓、及び様々な他の組織における生細胞が、二光子顕微鏡検査を使用して検査された。長時間の画像化期間は現在、細胞の生物活性又は生存度に対する観察可能な負の効果を伴うことなく最大２４時間であり、多数の哺乳動物細胞及び組織において実施されている。
共に、生体物質を重合する能力と組み合わせた個々の細胞の高い生存度は、多光子励起を、無細胞培地、及び埋め込まれる細胞を含む培地の両方における物質の重合に理想的なツールにした。故に、多光子レーザーベースの励起は、幾つかの三次元組織構造の組織工学に対して使用されているが、現行の技術により記載されるような二次元ラスタースキャンでの複雑な構造の印刷に関連付けられる速度の著しい制限は、現在までの機能器官を含む複雑で多細胞の三次元組織構造の作成を、不可能なものにしている。これは、単一ユニット（スキャンライン）プロセスに対する製造速度及び分解能における固有のトレードオフによるものである。例えば、１立法センチメートルの組織を作成するのに十分に細かな分解能でのレーザーのラスタースキャンは、実行までに３０年以上かかる場合があることが、推定される。しかし、組織工学の分野において、三次元組織構造の展望は、臓器移植を必要とする患者に有望な処置オプションの望みを与え、且つ、エラーにさらされる、動物モデルではなく全体のヒト由来の組織に基づいて創薬及び調査を改善した。
組織工学の多光子励起方法は、ノズルを通って予め定められたパターン又は形態生成構造（ｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）へと送り込まれる物質の堆積に依存する、押し出し又はスプレーベースの印刷技術よりも優れていると示されている。スプレー又は小滴ベースの細胞印刷は、分解能と生体適合性を欠き、比較的遅く、且つ拡張性がないため、組織全体が構築可能ではない。全ての臓器及び組織に存在する微小血管系又は毛細管は、例えば５〜１０マイクロメートルの最大直径を持つ。この細かく構造化された脈管構造は、組織が生存可能であるために必要なものである。現行の小滴又はスプレー印刷方法は、５０マイクロメートル未満の血管構造を産生する能力を持たない。それ故、現在まで、酸素拡散及び廃棄物交換の限界である、例えばほぼ２５０〜３００マイクロメートルより厚い組織構造は、生存可能とは報告されていない。微小血管系からの厳密な潅流なしに、例えば２５０〜３００マイクロメートルより厚い組織は、低酸素となって栄養素が不足し、最終的には壊死して、インサイドアウト（ｉｓｉｄｅ ｏｕｔ）により死滅する。更に、組織の完全性及び機能の支持に必要な微小血管系を印刷するのに必要な単一細胞層及び細かな分岐は、現行の押し出し又は小滴ベースの印刷方法を使用して達成することはできない。
その細胞レベルでの分解能の欠如は、多数の細胞型又は細胞の層の直接相互作用に依存する、複雑な又は小規模の三次元構造及び細胞ニッチの発達を、更に制限する。しかし、微細構造の事前印刷、又は事前印刷された無細胞スキャフォールドの使用は、微小血管系を作成するのに必要な分解能を達成することができるが、これらの構造は、細胞播種を必要とし、特異的な配向又はニッチに細胞を配する能力を制限し、組織の発達時間を増大し、及び、多くの細胞播種技術が小さな多孔構造への細胞の埋め込みを強制することを要するときに細胞の生存率の減少に繋がる。更に、印刷されたスキャフォールド構造の疎剛性は、細胞により誘導される構成上及び構造上の変化を制限すること、及び、新たな血管の発達を制限することにより、完全に適合可能な生物学的に機能性の組織の発達を妨害する。加えて、印刷されたスキャフォールド構造の疎剛性は、細胞が固定され且つ僅かなタイプの細胞のみがそのような剛性構造で堆積され得るので、血管組織の発達を妨げる、機能的で、ニッチに適合する、構成上の変化を制限する。
押し出し印刷において、細胞の生存率も損なわれ、印刷時間が遅すぎることから、組織構造を印刷するのに必要な長い期間にわたって細胞の生存率を維持することができない。分解能の問題を解決しないように押し出し印刷のスケーラビリティも本質的に制限され、故に、押し出し印刷は大規模で組織を印刷する能力を持たない。印刷された組織のサイズ及び機能は、一連の要因により制限される。これらの制限因子は、より大きなサイズの臓器構造に規模を合わせることができないこと（印刷までの時間）、多細胞の三次元ニッチを作成できること、天然の細胞誘発性の発達が生じ得るような最終構造の不変性、及び、最大の組織厚みが例えば２５０〜３００マイクロメートルになるのを可能にする微小血管系の欠如を含む。故に、組織工学における現行の押し出し印刷技術の有用性は、産生のための広範な時間、及び、複雑で血管新生された三次元構造を正確に産生するのに十分な細かさの分解能の欠如によって、制限される。加えて、押し出し技術は多くの場合、細胞が印刷媒体に直接配されるのを可能とせず、生体適合性でなく、及び、発達プロセスにわたり構造変化を可能にしない。
二光子励起は、産生までの時間を早めて印刷の分解能を改善するために、組織微細加工の分野に利用されている。パルスされた二光子レーザーは、波長調整可能であり、物質のピンポイントで超高速のサブナノメートル分解能の重合をもたらす。二光子の光重合は、定めた構造内の単一細胞型の単離に適用されている。しかし、細胞技術の二光子閉じ込めのための技術は、多くの理由、主に、三次元構造の段階的な追加の作成に関連する時間により著しく制限されており、それ故、血管新生された組織を産生するのに必要な複雑な毛細血管網又は多細胞構造をもたらすことができない。
主な制限は、大部分が生物学的に不適合な光開始剤への依存に起因して、これら技術が必ずしも生体適合性とは限らないという問題を含む。更なる制限は、限定されないが、ほんの少数の細胞を含む小さな構造のみが細胞の生存率のウィンドウ内で産生可能であるような印刷の速度を含む。それ故、現行の二光子細胞閉じ込め法は、臓器移植、及び大半の組織ベースの用途に有用となるのに十分に大きな組織構造を生成することができない。加えて、組織の増殖及び発達中の細胞上部構造の必要な流れ、及び細胞間接着の促進を可能にする規定はなく、その両方は、機能組織の増殖及び発達に必要なものである。導入されるべき付加的な細胞層に関する規定はない。そして最後に、特定の張力が発達細胞の土台、即ち、血管発達に必要な工程に適用されることを可能にする、ネットワークの特定の構造化に関する規定はない。
現行の印刷技術又は堆積技術は、特異的な細胞運動、細胞間相互作用、及び組織構造の結果として生じた発達を可能としない。発達中に自然に生じるこれら細胞内因性の挙動は、生組織の形成に不可欠である。組織は、各々が特異的な機能を持つ、様々な状態の分化の細胞で構成された三次元構造である。代替細胞として効果的に実行可能な、生物学的に活性且つ自己保持型の組織の発達は、脈管構造、腱、骨基質、及び組織の他の構造要素などの他の細胞及び構造要素の両方に対して細胞の厳密な局在化を必要とする。分化は多くの場合、遺伝学的な変化によって導かれ、これは結果として、退縮、構造の著しい推移などの構造変化を直接もたらし、及び／又は、組織に特異的な構造タンパク質、機能タンパク質、又はシグナル伝達タンパク質の発現の変化を介して組織発達を促進し得る。形態形成、創傷治癒、及び癌侵襲中に、例えば、細胞は、急速な接触ベースの力生成又は集合的な極性化を可能にする、大きなシート、鎖、又はクラスタとして総体的に移動する。これらの細胞運動は集団で、厳密な組織形成及び機能に必要である。これらの細胞運動、及び、血流などの異なる環境的影響力への曝露は、機能組織の分化に対して重大な発達上の合図の原因となる。例えば、動脈性及び静脈性毛細血管が、表現型分化を導き且つ同じ細胞型から生じる機能的な血管構造物を結果としてもたらす、遺伝子発現における相当な変化を受ける、均一な前駆細胞から形成される。更に、伸張及び圧力の変化に対する構造的な耐性の支持及び許容は、血管機能及び血管内皮細胞同一性の維持に必要である。実際に、血管壁には、それらの主構成要素の１つとして弾性繊維堆積がある。バイオプリンティング技術で血管を発達させるための多数の方法にもかかわらず、報告又は仮定された現行のプロセスは、シート又は鎖の構成要素における血管発達又は細胞運動に対する細胞ニッチの作成のために、鎖ベースの構造の組み合わせ堆積を可能にする。要するに、組織ベースの細胞印刷のための、現行の発達され且つ記載された構造は、これらの力に耐える又はそれを支持するようには設計されておらず、厳密な血管新生又は毛細血管（キャピラリー）の発達は未だに実証されていない。毛細管での血管新生なしに、印刷された細胞は、廃棄物及び栄養素の交換を提供するために酸素及び栄養素の拡散によって、例えば２００−３００マイクロメートルに制限される、極めて薄いシートにおいてのみ残存することができる。それ故、微小血管系なしに機能性の移植可能組織を発達させることは可能でない場合がある。
本明細書では、組織形成構造への細胞の印刷のための以前に記載された方法に伴う様々な問題が認識される。このような方法は、（ｉ）複雑な血管組織を作成するのに必要な実に様々な細胞；（ｉｉ）更なる分化に必要な育成的変化の必要要素として生じる、或いはそれを促進する上部構造運動を可能としない堅い構造；（ｉｉｉ）発達中に同様の又は異なる細胞層間の細胞間相互作用を促進する又はそれに適合可能である様々な構造剛性の要素；（ｉｖ）細胞型の特異的なチャネル又はネットの欠如；（ｖ）事前に印刷された（第１工程）又は再印刷された（中間又は最終工程）血管細胞の欠如；（ｖｉ）細胞間相互作用を可能にする一方で、組織内での血管の発達、分化、及び機能に必要な圧力、張力、ねん曲、伸張、又は動作を含む機械力に耐えるように設計された構造によって、制限され得る。
加えて、一面の光の単一光子ラスタースキャン印刷及び二次元投影は共に、本明細書で提供される方法及びシステムよりも製造プロセスが大幅に遅い場合がある。幾つかの例において、単一光子のラスタースキャンでの作成に数十年、及び２Ｄ投影の場合には数週間かかる構造は、本明細書で提供される三次元（３Ｄ）ホログラフィック印刷の方法及びシステムにより約２４時間以下で作成され得ることが、推定される。更に、本明細書で提供される３Ｄホログラフィック印刷の方法及びシステムは、印刷が体積内の全ての点で同時に行われることから、構造全体が一度に投影されると独立したフィルファクタとなり得る。それ故、印刷速度は、本明細書で提供される３Ｄホログラフィック印刷の方法及びシステムによって使用されるものなどのホログラフィック印刷投影の使用時に、分解能から切り離すことができる。本明細書で提供される３Ｄホログラフィック印刷の方法及びシステムの使用時に、印刷速度は体積に依存し、印刷体積は静的な光学コンポーネントにより影響を受け得る。
これまでのところ、組織工学の分野は、ヒト抗体などの、移植、系統統合的な薬物検査、及び／又は生物学的治療の発達に有用である、十分に大きな構造での天然組織として作用する、反応的で生物学的に活性な血管組織を産生することができなかった。
二光子レーザーは、以下に基づいて低細胞毒性プロファイルを提供し得る：１）ピークレーザー力がサンプル全体にわたって拡散されないように、ｘ、ｙ、及びｚ次元で焦点からの距離の二乗に応じて低下する、二光子励起のピンポイント部位；２）細胞が励起の時点でピークレーザー力にさらされ得る時間を最小化する励起点の急速なｘ、ｙスキャン；及び３）少数〜ゼロの光子が物質又は細胞に結合している（ｅｎｇａｇｉｎｇ）時間で間隙を可能とする、超短のサブピコ秒のパルス幅。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法を提供し、該方法は、（ａ）（ｉ）複数の細胞及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程；及び（ｂ）（ｉ）複数の細胞の少なくとも１つの部分集合、及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体から形成されたポリマーを含む３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためにコンピュータ命令に従って、３Ｄ投影へとパターン化される少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバ中の媒体に、少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含む。
幾つかの実施形態において、生体物質は生物学的に機能性の組織へと発達する。幾つかの実施形態において、前記方法は、（ｂ）の前に、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程、及び、コンピュータ命令を生成するためにポイントクラウド表現又はラインベース表現を使用する工程を更に含む。幾つかの実施形態において、前記方法は、ポイントクラウド表現又はラインベース表現を画像に変換する工程を更に含む。
幾つかの実施形態において、画像はホログラフィック様式で投影される。幾つかの実施形態において、画像はホログラフィック様式での投影前に分解且つ再構成される。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含む。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は二次元で構造要素を含み、構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は三次元で構造要素を含み、構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる。
幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームはレーザーによって生成される。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームは位相変調される。幾つかの実施形態において、１つ以上のポリマー前駆体は、少なくとも２つの異なるポリマー前駆体を含む。
幾つかの実施形態において、前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するために１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って（ｂ）を繰り返す工程を更に含む。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、（ｂ）で形成された３Ｄ生体物質に結合される。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、（ｂ）で形成された３Ｄ生体物質に結合されない。幾つかの実施形態において、（ｂ）は更に、媒体チャンバにおける媒体の多数の部分が３Ｄ生体物質の少なくとも一部を同時に形成することを可能にするために、コンピュータ命令に従って、少なくとも２つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも２つのエネルギービームを向ける工程を更に含む。
幾つかの実施形態において、少なくとも２つのエネルギービームは同一波長である。幾つかの実施形態において、少なくとも２つのエネルギービームは異なる波長である。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するための微小血管系を含む。幾つかの実施形態において、微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせである。幾つかの実施形態において、微小血管系は約１μｍ〜約２０μｍの断面を持つ。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、約１００μｍ〜約５ｃｍの厚み又は直径を持つ。
幾つかの実施形態において、媒体は複数のビーズを更に含み、且つ（ｂ）において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると複数のビーズを含む。幾つかの実施形態において、ビーズはシグナル分子又はタンパク質を更に含む。幾つかの実施形態において、シグナル分子又はタンパク質は、臓器機能を可能にするために３Ｄ生体物質の形成を促進する。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞の少なくとも部分集合を含む細胞含有スキャフォールド含む。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は細胞含有スキャフォールドを含む。
幾つかの実施形態において、細胞含有スキャフォールドは一体となって結合される。幾つかの実施形態において、細胞含有スキャフォールドは、凝集して（ｃｏｈｅｓｉｖｅｌｙ）又は機械的に一体となって結合される。幾つかの実施形態において、細胞含有スキャフォールドは、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクから成る群から選択された１つ以上の部材を介して機械的に一体となって結合される。幾つかの実施形態において、細胞含有スキャフォールドは、複数の鎖を含むネットワークを含む。幾つかの実施形態において、複数の鎖は、メッシュ構造、格子構造、シート構造、又はチューブ構造を形成する。幾つかの実施形態において、複数の鎖の個々の鎖は、約０．１ｎｍ〜約５ｃｍの厚みを持つ。
幾つかの実施形態において、（ｂ）に続いて、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、３Ｄ生体物質の少なくとも一部内に形成される。幾つかの実施形態において、コンピュータ命令は、３Ｄ生体物質に相当する画像のセットを含む。幾つかの実施形態において、コンピュータ命令は、少なくとも（ｉ）３Ｄ生体物質の形成中に時間に応じて少なくとも１つのエネルギービームの１つ以上のパラメータ、及び／又は（ｉｉ）３Ｄ生体物質が形成されるステージの位置の調節を指示する。
幾つかの実施形態において、前記方法は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を形成するために複数の細胞の少なくとも部分集合の少なくとも一部を分化にさらす工程を更に含む。幾つかの実施形態において、複数の細胞の少なくとも部分集合は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む。幾つかの実施形態において、（ｂ）において、複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームは多光子エネルギービームである。幾つかの実施形態において、多光子エネルギービームは二光子エネルギービームである。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷する方法を提供し、該方法は、（ａ）第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程；（ｂ）３Ｄ生体物質の第１の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第１の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第１の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程；（ｃ）媒体チャンバにおける第２の媒体を提供する工程であって、第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、第２の複数の細胞は第１の複数の細胞とは異なるタイプである、工程；及び（ｄ）３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含む。
幾つかの実施形態において、生体物質は生物学的に機能性の組織である。幾つかの実施形態において、前記方法は、（ｄ）に続いて、媒体チャンバに３Ｄ生体物質の第１の部分を残すために、媒体チャンバから第１の媒体の残りを取り除く工程を更に含む。幾つかの実施形態において、媒体チャンバに残される３Ｄ生体物質の第１の部分は、媒体チャンバに取り外し可能に固定される。幾つかの実施形態において、前記方法は、（ｂ）の前に、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程、及び、コンピュータ命令を生成するためにポイントクラウド表現又はラインベース表現を使用する工程を更に含む。
幾つかの実施形態において、前記方法は、生体構造が一次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む。幾つかの実施形態において、前記方法は、生体構造が二次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む。幾つかの実施形態において、前記方法は、生体構造が三次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む。
幾つかの実施形態において、前記方法は、生体構造が一次元、二次元、及び／又は三次元の構造の組み合わせで投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、少なくとも１つの入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む。幾つかの実施形態において、画像又は画像セットはホログラフィック様式で投影される。幾つかの実施形態において、画像又は画像セットは、ホログラフィック様式での投影前に部分要素又は代表的構造へと分解され且つ再構成される。
幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含む。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は二次元で構造要素を含み、構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は三次元で構造要素を含み、構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる。
幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームはレーザーによって生成される。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームは位相変調される。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギービームは、サンプル媒体全体にわたって位相変調され且つラスタースキャンされる。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するための微小血管系を含む。幾つかの実施形態において、微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせである。幾つかの実施形態において、微小血管系は約１μｍ〜約２０μｍの断面を持つ。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、約１００μｍ〜約５ｃｍの厚み又は直径を持つ。
幾つかの実施形態において、第１の媒体及び／又は第２の媒体は複数のビーズを更に含み、且つ（ｂ）において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると複数のビーズを含む。幾つかの実施形態において、ビーズはシグナル分子又はタンパク質を更に含む。幾つかの実施形態において、シグナル分子又はタンパク質は、臓器機能を可能にするために３Ｄ生体物質の形成を促進する。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、最大約３５０時間の期間で印刷される。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、最大約７２時間の期間で印刷される。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、最大約１２時間の期間で印刷される。
幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞の少なくとも１つの部分集合をスキャフォールド含む細胞含有スキャフォールド含む。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、形成されると、複数の細胞含有スキャフォールドを含む。幾つかの実施形態において、複数の細胞含有スキャフォールドは一体となって結合される。幾つかの実施形態において、複数の細胞含有スキャフォールドは、接着構造を形成するために一体となって結合される。幾つかの実施形態において、複数の細胞含有スキャフォールドは機械的に一体となって結合される。幾つかの実施形態において、複数の細胞含有スキャフォールドは、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクから成る群から選択された１つ以上の部材を介して機械的に一体となって結合される。
幾つかの実施形態において、細胞含有スキャフォールドは、複数の鎖を含むネットワークを含む。幾つかの実施形態において、複数の鎖は、メッシュ構造、格子構造、シート構造、又はチューブ構造を形成する。幾つかの実施形態において、複数の鎖は、約０．１ｎｍ〜約５ｃｍの厚みを持つ。幾つかの実施形態において、（ｄ）に続いて、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、３Ｄ生体物質の第１の部分及び／又は第２の部分内に形成される。幾つかの実施形態において、第１の媒体及び／又は第２の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体を更に含む。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するためのシステムを提供し、該システムは、（ａ）少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む複数の細胞、及び１つ以上のポリマー前駆体を含む、媒体を含むように構成された媒体チャンバ；（ｂ）媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び（ｃ）少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；及び（ｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように個々に又は総体的にプログラムされる、コンピュータプロセッサを含む。
幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し、且つ、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を生成するべく前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を使用するように、個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を画像に変換するように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされる。
幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源は複数のエネルギー源である。幾つかの実施形態において、複数のエネルギー源は、複数の少なくとも１つのエネルギービームを配向する。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源はレーザーである。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源はコヒーレント光源に由来する。幾つかの実施形態において、コヒーレント光源は、約３００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を含む。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ軸、ｘ及びｙ面、又はｘ、ｙ、及びｚ面に沿う。
幾つかの実施形態において、前記システムは、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるための少なくとも１つの対物レンズを含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含む。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の縁の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の他の組織との結合を誘導するように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従う。幾つかの実施形態において、複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む。幾つかの実施形態において、媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するためのシステムを提供し、該システムは、（ａ）複数の細胞及び複数のポリマー前駆体を含む媒体を含むように構成された媒体チャンバ；（ｂ）媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び（ｃ）少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；（ｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向け；及び（ｉｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように構成される、コンピュータプロセッサを含み、第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、第２の複数の細胞は第１の複数の細胞とは異なるタイプである。
幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し、且つ、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を生成するべく前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を使用するように、個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を画像に変換するように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源は複数のエネルギー源である。幾つかの実施形態において、複数のエネルギー源は、複数の少なくとも１つのエネルギービームを配向する。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源はレーザーである。幾つかの実施形態において、少なくとも１つのエネルギー源はコヒーレント光源に由来する。
幾つかの実施形態において、コヒーレント光源は、約３００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を含む。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ軸、ｘ及びｙ面、又はｘ、ｙ、及びｚ面に沿う。幾つかの実施形態において、前記システムは、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるための少なくとも１つの対物レンズを更に含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含む。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の縁の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされる。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の他の組織との結合を誘導するように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従う。幾つかの実施形態において、媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）物体を印刷するための方法を提供し、該方法は、１つ以上の前駆体から形成された物質を含む３Ｄ物体を生成するために、１つ以上の前駆体を含む媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み、少なくとも１つのエネルギービームは、３Ｄ物体に相当する３Ｄ投影として媒体に向けられる。
幾つかの実施形態において、物質はポリマー材料である。幾つかの実施形態において、媒体は、細胞又は細胞構成成分を含む。幾つかの実施形態において、１つ以上の前駆体はポリマー前駆体である。幾つかの実施形態において、１つ以上の前駆体は１つ以上の金属を含んでいる。幾つかの実施形態において、３Ｄ投影はホログラムである。幾つかの実施形態において、媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法を提供し、該方法は、（ａ）３Ｄ生体物質の第１の部分を生成するために、（ｉ）第１の複数の細胞、及び（ｉｉ）第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体を含む媒体チャンバに、第１のエネルギービームを向ける工程；及び（ｂ）３Ｄ生体物質の第１の部分に隣接する３Ｄ生体物質の第２の部分を生成するために、（ｉ）第２の複数の細胞、及び（ｉｉ）第２のポリマー前駆体を含む第２の媒体を含む媒体チャンバに、第２のエネルギービームを向ける工程を含む。
幾つかの実施形態において、少なくとも第１のエネルギービーム及び少なくとも第２のエネルギービームは、同じエネルギー源に由来する。幾つかの実施形態において、少なくとも第１のエネルギービーム及び少なくとも第２のエネルギービームは、レーザービームである。幾つかの実施形態において、第１の複数の細胞及び第２の複数の細胞の細胞は、異なるタイプである。幾つかの実施形態において、第１の複数の細胞及び第２の複数の細胞の細胞は、同じタイプである。幾つかの実施形態において、第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は、異なっている。幾つかの実施形態において、第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は、同じである。幾つかの実施形態において、第１の媒体及び／又は第２の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体を更に含む。
本開示は、多光子励起源の空間的光変調を使用した多層の血管組織の急速な生成のための方法及びシステムを提供する。この手法を使用して、細胞含有構造の急速な作成のための方法は、微小血管系などの機械的及び／又は生物学的な要素が埋め込まれた、細胞のサイズに特異的なネットを層にすることによって提供される。コラーゲン、又は別の生物適合可能な或いは不活性の物質のネットに含まれる細胞の堆積は、三次元（ホログラフィック）投影、二次元投影に基づき、及び／又はｘ、ｙ、ｘ、ｚ、或いはｙ、ｚなどの平面軸における、急速で反復的なプロセスであり、多光子レーザー励起のスキャンと組み合わせてもよい。三次元スキャン、二次元スキャン、及びラスタースキャンは、完全な構造の急速な作成を達成するために様々な組み合わせで同時に使用されてもよい。レーザー投影のモード間での動的な推移は、大きな視野で複雑な構造の急速な作成を可能にしつつ、マイクロメートル〜ナノメートルの微細な分解能を維持する。この方法は、大きな（例えば、最大約５センチメートル（ｃｍ））の多層並びに小さな脈管構造（例えば、１−１０マイクロメートル（μｍ））の単細胞層の脈管構造の、急速な生成を可能にする。
本開示は、多数の細胞型、サイズ、又は複雑性によって制限されない様式で組織が構築され得るように、二次元及び／又は三次元で多数の細胞型の層状化を可能にする。場合によっては、これは、例えばレーザーによって提供され得るように、多光子（例えば二光子）の励起光を使用して達成される。
本開示の別の態様は、１つ以上のコンピュータプロセッサによる実行に際し、上記又は本明細書のあらゆる場所の方法の何れかを実行する、機械実行可能コードを含む非一時的なコンピュータ可読媒体を提供する。
本開示の別の態様は、１つ以上のコンピュータプロセッサ、及びそれに繋がれたコンピュータメモリーを含む、システムを提供する。コンピュータメモリーは、１つ以上のコンピュータプロセッサによる実行に際し、上記又は本明細書のあらゆる場所の方法の何れかを実行する、機会実行可能コードを含む。
本開示の付加的な態様及び利益は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかとなり、ここでは、本開示の例示的な実施形態のみが示され且つ記載される。実現されるように、本開示は、他の及び異なる実施形態においても可能であり、その様々な詳細は、全てが本開示から逸脱することなく、様々な明白な点において改変することができる。従って、図面と記載は事実上例示的とみなされ、限定的とは見なされない。
引用による組み込み
本明細書で言及される出願公開、特許、及び特許出願は全て、あたかも個々の出願公開、特許、或いは特許出願がそれぞれ参照により組み込まれるように具体的且つ個々に指示されるように同じ程度にまで、参照により本明細書に組込まれる。参照により組み込まれる刊行物、特許、又は特許出願が本明細書に含まれる開示に矛盾するという程度まで、本明細書は、そのような矛盾のある題材に取って代わる及び／又はそれに優先するように意図される。
本発明の新規な特徴は、特に、添付の特許請求の範囲内に明記される。本発明の特徴及び利点のより良い理解は、本発明の原理が用いられる例示的実施形態を説明する以下の詳細な説明と、以下の添付図面（本明細書では「図（“Ｆｉｇｕｒｅ” ａｎｄ “ＦＩＧ．”）」とも称する）とを引用することによって得られるであろう。
所望の組織の急速な多光子印刷のためのシステムの実施形態を例示する。 媒体チャンバ内の所望の組織の生成のステージの例を例示する。図２Ａは、第１の細胞群を含む媒体を含有している媒体チャンバを例示する。 媒体チャンバ内の所望の組織の生成のステージの例を例示する。図２Ｂは、第２の細胞群を含む媒体を含有している媒体チャンバを例示する。 媒体チャンバ内の所望の組織の生成のステージの例を例示する。図２Ｃは、媒体への多光子レーザービームのパルスの送達を例示する。 媒体チャンバ内の所望の組織の生成のステージの例を例示する。図２Ｄは、媒体含有スキャフォールド（ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）が媒体チャンバの底部に沿って印刷される実施形態を例示する。 レーザーシステムの実施形態を例示する。図３Ａは、単一の多光子レーザー源を持つレーザーシステムの実施形態を例示する。 レーザーシステムの実施形態を例示する。図３Ｂは、多数のレーザーラインを持つレーザーシステムの実施形態を例示する。 レーザーシステムの実施形態を例示する。図３Ｃは、多数のレーザーライン、光電子増倍管（ＰＭＴ）、及び対物レンズを含むレーザーシステムの実施形態を例示する。 印刷システムの実施形態を例示する。図４Ａは、ビームエクスパンダ、光集束レンズ、付加的なレーザー集束レンズを含み、及びアキシコンレンズ或いはＴＡＧレンズを含まない、印刷システムの実施形態を例示する。 印刷システムの実施形態を例示する。図４Ｂは、ビームエクスパンダ、光集束レンズ、付加的なレーザー集束レンズ、及びアキシコンレンズ或いはＴＡＧレンズを含む、印刷システムの実施形態を例示する。 印刷システムの実施形態を例示する。図４Ｃは、周辺の細胞、及び与えられたＺ工程により印刷された結果として生じる構造を印刷するための、２Ｄ、ｘ、ｙシート、又はホログラム投影に対する単一のＳＬＭ又はＤＭＤを含むＺ工程投影印刷設定を例示する。 多光子組織印刷ヘッドの実施形態を例示する。図５Ａは、単一の直立した対物レンズを含む多光子組織印刷ヘッドの実施形態を例示する。 多光子組織印刷ヘッドの実施形態を例示する。図５Ｂは、構造を画像化するためにオプティックスを逆にした多光子組織印刷ヘッドの実施形態を例示する。 着脱自在の光ファイバーケーブルアクセサリの実施形態を例示する。図６Ａは、光ファイバーケーブルアクセサリ及び光ファイバーケーブルを例示する。 着脱自在の光ファイバーケーブルアクセサリの実施形態を例示する。図６Ｂは、所望の複合組織構造を印刷するために使用されている光ファイバーケーブルアクセサリを例示する。 印刷ヘッドオプティックスが少なくとも３つの物体を含む実施形態を例示し、各物体は単一の媒体チャンバへと配向された光ファイバーケーブルアクセサリを含む。 印刷ヘッドオプティックスが少なくとも６つの物体を含む実施形態を例示し、各物体は、マルチウェルプレートの別個のウェルなどの別個の媒体チャンバへと配向された光ファイバーケーブルアクセサリを含む。 印刷ヘッドとして作用する一連の物体を持つ印刷ヘッドオプティックスの実施形態を例示する。 レーザービーム投影を各ウェルに送達するためにＸ及びＹの方向でマルチウェルプレート上を動くようにプログラムされた物体を例示する。 重合可能な物質から形成されたネット構造の一例を例示する。 ネット構造の実施形態を例示する。図１２Ａは、約０．１マイクロメートルの厚みを持つ鎖で構成されたネットを例示する。 ネット構造の実施形態を例示する。図１２Ｂは、約５マイクロメートルの厚みを持つ鎖で構成されたネットを例示する。 ネット内で一時的に捕捉された円形細胞を例示する。 細胞が開口部を通って移動して生理学的条件下で結合（ｅｎｇａｇｅ）可能となるように、互いに接近して配置された第１のネット及び第２のネットを例示する。 ネット構造（５００）内のそのような構造的特徴の領域を作成する方法を例示する。図１５Ａは、ネット構造の生成を例示する。 ネット構造（５００）内のそのような構造的特徴の領域を作成する方法を例示する。図１５Ｂは、ネット構造内の特定の座標を標的とするレーザービームからの多光子レーザービームの第２の投影を例示する。 ネット構造（５００）内のそのような構造的特徴の領域を作成する方法を例示する。図１５Ｃは、ネット鎖の予め決められた交点にて補強の様々な点を持つ最終のネット構造を例示する。 ネット内のそのような構造的特徴の領域を作成する別の方法を例示する。図１６Ａは、多光子組織印刷の印刷ヘッドのオプティックスからの多光子レーザービームを媒体へと投影することによるネット構造の生成を示す。 ネット内のそのような構造的特徴の領域を作成する別の方法を例示する。図１６Ｂは、ネット構造内の特定の座標を標的とする多光子レーザービームの第２の投影を例示する。 ネット内のそのような構造的特徴の領域を作成する別の方法を例示する。図１６Ｃは、補強されたジグザグ形状の構造的特徴を持つ最終ネット構造を例示する。 ネット内のそのような構造的特徴の領域を作成する別の方法を例示する。図１６Ｄは、構造的な変形を配向する、より厚いネット領域を例示する。 組織構造を折り重ねる又はしわを寄せるためのネット内の構造的特徴の使用を例示する。図１７Ａは、構造的な補強を含む、媒体内で形成されたネット構造を例示する。 組織構造を折り重ねる又はしわを寄せるためのネット内の構造的特徴の使用を例示する。図１７Ｂは、互いに向かって引き付けられる第１のネット鎖及び第２のネット鎖を例示する。 組織構造を折り重ねる又はしわを寄せるためのネット内の構造的特徴の使用を例示する。図１８Ａは、折り重ねを形成するために、細胞が移動し且つ伝達するときの（矢印により示される）細胞の下方への動きを例示する。 組織構造を折り重ねる又はしわを寄せるためのネット内の構造的特徴の使用を例示する。図１８Ｂは、第１のネット鎖、第２のネット鎖、及び、第１のネット鎖と第２のネット鎖を互いに向かって引き付ける第３のネットの間に、折り重ねを形成した細胞を例示する。 厚みの領域が増大したネットの別の実施形態を例示する。図１９Ａは、媒体内に形成されたネット構造を例示し、該ネット構造は、第１の構造補強、第２の構造補強、及び第３の構造補強を含む。 厚みの領域が増大したネットの別の実施形態を例示する。図１９Ｂは、互いに向かって引き付けられる第１のネット鎖及び第２のネット鎖を例示する。 厚みの領域が増大したネットの別の実施形態を例示する。図１９Ｃは、折り重ね及びしわを形成する、共に引き付けられる第１の未補強部分、第２の未補強部分、及び第３の未補強部分を示す組織の側面図を提供する。 低密度ネット領域によって囲まれる高密度ネット領域を持つネット構造を例示する。 ネット構造の密度の変動が細胞の動き及び相互作用を誘導する別の実施形態を例示する。 三次元組織構造を製造するためにネット構造の密度の変動が細胞の動き及び相互作用を誘導する別の実施形態を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２３Ａは、テクスチャード要素の第１の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２３Ｂは、テクスチャード要素の第２の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２３Ｃは、テクスチャード要素の第３の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２３Ｄは、テクスチャード要素の第４の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２３Ｅは、テクスチャード要素の第５の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２４Ａは、テクスチャード要素の第６の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進し得る、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素を例示する。図２４Ｂは、テクスチャード要素の第７の例を例示する。 細胞接着又は細胞誘引を促進する、ネット鎖に沿ったテクスチャード要素のまた別の例を例示する。 切断部位を持つネットの実施形態を例示する。 枢動ジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２７Ａは、第１の突起部及び第２の突起部を含む枢動ジョイントを例示する。 枢動ジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２７Ｂは、第１のネット構造に付けられている第１の突起部、及び第２のネット構造に付けられている第２の突起部を例示する。 ボール−ソケットジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２８Ａは、円形ボールヘッドを持つ第１の突起部、及び凹型ソケットヘッドを持つ第２の突起部を含むボール−ソケットジョイントを例示する。 ボール−ソケットジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２８Ｂは、第１の突起部が第１のネット構造に付けられ、第２の突起部が第２のネット構造に付けられるように印刷される、ボール−ソケットジョイントを例示する。 サドルジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２９Ａは、第１の突起部、及びサドル形状の凹みを持つ第２の突起部を含む、サドルジョイントを例示する。 サドルジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図２８Ｂは、第１の突起部及び第２の突起部がネット構造に付けられるように印刷されるサドルジョイントを例示する。 第１の突起部、及びソケット形状の空洞を持つ第２の突起部を含む、ソケットジョイントの実施形態を例示する。 第１の突起部及び第２の突起部がネット構造に付けられるように印刷されるソケットジョイントの実施形態を例示する。 第１のヘッド、及び溝と螺合部を持つソケット形状の空洞を備えた第２のヘッドを有する第１の突起部を含む、螺合状態ジョイントの実施形態を例示する。 第１の突起部及び第２の突起部がネット構造に付けられるように印刷される螺合状態ジョイントの実施形態を例示する。 コイル又はスプリングを含む機械要素の実施形態を例示する。図３４Ａは、スプリングの実施形態を例示する。 コイル又はスプリングを含む機械要素の実施形態を例示する。図３４Ｂは、その端部がネット構造に付けられるように印刷されるスプリングの実施形態を例示する。 鎖を含む機械要素を例示する。図３５Ａは、２つの端部と４つの連結部を含む鎖の実施形態を例示する。 鎖を含む機械要素を例示する。図３５Ｂは、その端部がネット構造に付けられるように印刷される鎖の実施形態を例示する。 フックジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図３６Ａは、湾曲形状のフックジョイントの実施形態を例示する。 フックジョイントを含む機械要素の実施形態を例示する。図３６Ｂは、フックがネット構造に付けられるように印刷されるフックジョイントの実施形態を例示する。 Ｖｅｌｃｒｏ（登録商標）と同様の様式で機能するフック−ループジョイントを含む、機械要素の実施形態を例示する。図３７Ａは、ループ面と対合可能なフック面を含む、フック−ループジョイントの実施形態を例示する。 Ｖｅｌｃｒｏ（登録商標）と同様の様式で機能するフック−ループジョイントを含む、機械要素の実施形態を例示する。図３７Ｂは、非係合状態であるフック−ループジョイントの実施形態を例示する。 Ｖｅｌｃｒｏ（登録商標）と同様の様式で機能するフック−ループジョイントを含む、機械要素の実施形態を例示する。図３７Ｃは、フック面がネット構造に付けられるように印刷される、フック−ループジョイントの実施形態を例示する。 ヒンジを含む機械要素の実施形態を例示する。図３８Ａは、ブラケットを含むヒンジの実施形態を例示する。 ヒンジを含む機械要素の実施形態を例示する。図３８Ｂは、２つのブラケットを介して伸長し且つそれらを結合するロッドを例示する。 ヒンジを含む機械要素の実施形態を例示する。図３８Ｃは、ブラケットがネット構造に付けられるように印刷されるヒンジの実施形態を例示する。 ネットに捕捉された細胞で構成される組織構造の実施形態を例示し、ネットは機械要素の存在によりループしている。 ネットに捕捉された細胞で構成される組織構造の実施形態を例示し、ネットは機械要素の存在により捻じれている。 ２つの別個のネット構造に位置する２つの別個の細胞群間の細胞間相互作用を誘導するように設計される実施形態を例示する。図４１Ａは、縁を持つ２つのネットを例示する。 ２つの別個のネット構造に位置する２つの別個の細胞群間の細胞間相互作用を誘導するように設計される実施形態を例示する。図４１Ｂは、互いに細胞間相互作用の発生に都合の良い、縁に沿って保持される細胞を例示する。 細胞鎖を生成するために使用され得る可変密度ネットの実施形態を例示する。図４２Ａは、第１の開口部が特定の細胞を捕捉するようにサイズ調製され、且つ周囲の第２の開口部が細胞を除外するようにサイズ調製される、長手方向領域を含むネット構造を例示する。 細胞鎖を生成するために使用され得る可変密度ネットの実施形態を例示する。図４２Ｂは、可変密度ネットを使用した細胞鎖の作成を例示する。 本明細書で提供される方法を実施するようにプログラム又は構成されるコンピュータ制御システムを示す。 時間的収束（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）のない印刷システムの実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。 時間的収束を含む印刷システムの追加の実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。 時間的収束のない印刷システムのまた別の実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。 光検出システムを例示する。 ホログラフィック印刷によって生成される、細胞化された三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造の例を示す。図４８Ａは、３Ｄ微小血管系の平面図を示す。 ホログラフィック印刷によって生成される、細胞化された三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造の例を示す。図４８Ｂは、３Ｄ微小血管系の外部管の平面図を示す。 ホログラフィック印刷によって生成される、細胞化された三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造の例を示す。図４８Ｃは、完全な３Ｄ微小血管系構造を示す。 ホログラフィック印刷によって生成される、細胞化された三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造の例を示す。図４８Ｄは、細胞を封入している３つの微小血管系構造の蛍光画像を示す。 ホログラフィック印刷によって生成される、細胞化された三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造の例を示す。図４８Ｅは、ホログラフィック印刷の５日後の、細胞を封入している３つの微小血管系構造の明視野画像を示す。 ホログラフィック印刷を使用した細胞含有構造の生成の典型的なプロセスを示す。図４９のＡは、コンピュータが細胞含有構造の三次元（３Ｄ）画像を生成したことを示す。図４９のＢは、細胞含有構造の３Ｄ画像のポイントクラウド表現を示す。図４９のＣは、細胞含有構造の３Ｄ画像のポイントクラウド表現に相当するホログラムを示す。図４９のＤは、コンピュータ印刷システムを例示する。図４９のＥは、液体印刷媒体に漂う細胞のクラスタの画像を示す。図４９のＦは、ポイントクラウド表現の三次元印刷後の生細胞の同じクラスタの画像を示す。図４９のＧは、印刷された３Ｄの細胞含有構造内の細胞を示す切断画像を示す。図４９のＨは、印刷後の完全な３Ｄの細胞含有構造の代表的な画像を示す。 「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」のホログラフィック印刷の画像を示す。図５０Ａは、コンピュータが「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の三次元（３Ｄ）画像を生成したことを示す。 「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」のホログラフィック印刷の画像を示す。図５０Ｂは、コンピュータで作成された「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の３Ｄ画像の平面図を示す。 「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」のホログラフィック印刷の画像を示す。図５０Ｃは、明視野顕微鏡検査を使用して画像化されるような「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の代表的な３Ｄ印刷を示す。 ２つの異なる製剤のホログラフィック印刷に相当する、二光子レーザービーム露光時間（ミリ秒）対レーザー力（ワット）のグラフを示す。図５１Ａは製剤Ａでの印刷のための閾値を示す。 ２つの異なる製剤のホログラフィック印刷に相当する、二光子レーザービーム露光時間（ミリ秒）対レーザー力（ワット）のグラフを示す。図５１Ｂは製剤Ｂでの印刷のための閾値を示す。 ホログラフィック印刷を使用して標的とされた単細胞封入を示す。図５２Ａは、印刷媒体に漂う、複数の封入された細胞及び封入されていない細胞を示す。 ホログラフィック印刷を使用して標的とされた単細胞封入を示す。図５２Ｂは、複数の封入された細胞のズームイン画像を示す。 ホログラフィック印刷を使用して標的とされた単細胞封入を示す。図５２Ｃは、複数の封入されていない細胞のズームイン画像を示す。 ホログラムを投影する拡大レーザービームを示す。 異なるレーザー印刷モードを例示する。図５４Ａは、感光性印刷媒体を含有する媒体チャンバへの単一光子レーザービームの投影を例示する。 異なるレーザー印刷モードを例示する。図５４Ｂは、多光子吸収プロセスを例示する。 異なるレーザー印刷モードを例示する。図５４Ｃは、ホログラムを生成するための波面形成の代表的な図を例示する。 異なるレーザー印刷モードを例示する。図５４Ｄは、複雑な構造のホログラフィック印刷を可能とする、複数面での完全な画像投影（即ち、３Ｄホログラム）を例示する。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ａは、印刷された微小血管系構造を例示する。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ｂは、印刷された微小血管系構造の画像を示す。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ｃは、３Ｄ微小血管系構造の内腔へ球体のホログラムを投影するための、多光子レーザービームの使用を例示する。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ｄは、多光子レーザービームが３Ｄ微小血管系構造の内腔へと球体のホログラムを投影するために使用されたときの、３Ｄ微小血管系構造の画像を正確に示す。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ｅは、微小血管系構造の内腔の内部の球体を例示する。 以前に印刷された３Ｄの毛細血管の構造内の球体のホログラフィック印刷を示す。図５５Ｆは、（破線で描かれた）球体が分裂なしに微小血管系構造の内腔内に堆積したことを示す。 本明細書で提供される方法及びシステムを使用して印刷されたポリマー脈管構造ベッドを示す。図５６Ａは、ホログラフィック印刷プロセス中の脈管構造ベッドの画像を示す。 本明細書で提供される方法及びシステムを使用して印刷されたポリマー脈管構造ベッドを示す。図５６Ｂは、ホログラフィック印刷プロセス完了後の脈管構造ベッドの画像を示す。
本発明の様々な実施形態が本明細書中に示され記述された一方、そのような実施形態が一例としてしか提供されていないことは当業者にとって明白だろう。多数の変形、変更、及び置き換えは、本発明から逸脱することなく、当業者によって想到され得る。本明細書に記載される本発明の実施形態の様々な代案が利用され得ることを理解されたい。
本明細書で使用される用語は、特定の事例のみを記載することを目的としており、本発明を制限することを意図していない。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が他に明白に示していない限り、同様に複数形を含むように意図される。更に、用語「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含んだ（ｗｉｔｈ）」、又はそれらの変異形が発明を実施するための形態及び／又は請求項のいずれかで使用される程度には、上記のような用語は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」との用語に類似する手法で包括的であることを意図している。
用語「約」又は「およそ」は、その増分を含む、約１０％、５％、又は１％により明示された量に近い量を指す。例えば、「約」又は「およそ」は、特定の値を含み、且つ、その値の１０％以下から１０％以上に及ぶ、範囲を意味し得る。
用語「生体物質」は、本明細書で使用されるように、化学的又は生物学的な機能を果たすことができる任意の物質を一般的に指す。生体物質は、生物学的に機能性の組織、又は機能性の組織であり、生体力学又は生物学的な機能を果たすことが可能な生体構造であり得る。生物学的に機能性の組織は、互いに拡散距離内にある細胞を含み、各細胞が毛細管又は血管のネットワーク構成成分の拡散距離内にある少なくとも１つの細胞型を含み、タンパク質機能の遂行を促進及び／又は阻害し、或いはそれらの任意の組み合わせを行い得る。生物学的に機能性の組織は、重要臓器などの組織又は臓器の少なくとも一部であり得る。幾つかの例において、生体物質は、例えば異なる治療薬により多数の細胞又は組織をスクリーニングするなど、薬物開発に使用され得る。
生体物質は、細胞などの物質の１つ以上のタイプを含む、ポリマーマトリックスなどのマトリックスを含み得る。生体物質は様々な形状、サイズ、又は構成であってもよい。幾つかの例において、肉、又は肉の様な物質などの生体物質は、被験体（例えば動物）によって消費可能であり得る。
用語「三次元印刷」（また「３Ｄ印刷」）は、本明細書で使用されるように、３Ｄ部分（又は物体）を生成するためのプロセス又は方法を一般的に指す。そのようなプロセスは、３Ｄ生体物質などの３Ｄ部分（又は物体）を形成するために使用され得る。
用語「エネルギービーム」は、本明細書で使用されるように、エネルギーのビームを一般的に指す。エネルギービームは電磁エネルギー又は電磁放射線のビームであり得る。エネルギービームは粒子ビームでもよい。エネルギービームは、光線（例えばγ波、Ｘ線、紫外線、可視光、赤外線、マイクロ波、又は無線電波）でもよい。輻射の誘導放出による光増幅（「レーザー」）によって提供され得るように、光線はコヒーレント光ビームでもよい。幾つかの例において、光線はレーザーダイオード又は多数のダイオードレーザーによって生成される。
本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法及びシステムを提供する。一態様において、３Ｄ生体物質を印刷するための方法は、（ｉ）複数の細胞及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程を含む。次に、少なくとも１つのエネルギービームは、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って、３Ｄ投影へとパターン化される少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って、媒体チャンバにおける媒体に向けられ得る。これは、（ｉ）少なくとも２つの異なるタイプの複数の細胞の少なくとも部分集合を含む、複数の細胞の少なくとも部分集合、及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体から形成されたポリマーを含む、３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成することができる。
本開示の方法及びシステムは、３Ｄ生体物質などの３Ｄ物体の多層を同時に印刷するために使用されてもよい。そのような３Ｄ物体は、ポリマー材料、金属、金属合金、複合材料、又はそれらの任意の組み合わせから形成され得る。幾つかの例において、３Ｄ物体は、場合によっては生体物質（例えば１つ以上の細胞又は細胞構成成分）を含む、高分子材料から形成される。場合によっては、３Ｄ物体は、３Ｄ物体の少なくとも一部を形成するべく重合及び／又は架橋結合を誘導するために、ポリマー材料の１つ以上の前駆体に３Ｄ投影（例えばホログラム）としてエネルギービーム（例えばレーザー）を向けることによって形成され得る。これは、３Ｄ物体の多層を同時に形成するために使用されてもよい。
代替手段として、３Ｄ物体は、例えば金、銀、白金、タングステン、チタン、又はそれらの任意の組み合わせなどの、金属又は金属合金から形成され得る。そのような場合、３Ｄ物体は、例えば金属又は金属合金の粒子を含む粉末ベッドにエネルギービーム（例えばレーザービーム）を向けることによって達成され得るように、金属粒子を焼結又は融解することにより形成され得る。場合によっては、３Ｄ物体は、粒子の焼結又は融解を促進するために粉末ベッドへと３Ｄ投影（例えばホログラム）としてエネルギービームを向けることにより形成され得る。これは、３Ｄ物体の多層を同時に形成するために使用されてもよい。３Ｄ物体は、グラフェンなどの有機物から形成され得る。３Ｄ物体は、シリコーンなどの無機物から形成され得る。この場合、３Ｄ物体は、例えば有機物及び／又は無機物の粒子を含む粉末ベッドにエネルギービーム（例えばレーザービーム）を向けることによって達成され得るように、有機粒子及び／又は無機粒子を焼結又は融解することにより形成され得る。場合によっては、３Ｄ物体は、有機粒子及び／又は無機粒子の焼結又は融解を促進するために粉末ベッドへと３Ｄ投影（例えばホログラム）としてエネルギービームを向けることにより形成され得る。
エネルギービーム浸透の深度は、ビーム波長と、与えられた金属、金属合金、無機物、及び／又は有機物の電界とのの相互作用によって決定され得る。有機物はグラフェンであり得る。無機物はシリコーンであり得る。これらの粒子は、与えられたエネルギービームとのより強い又は弱い相互作用を可能にするために、機能化され又は組み合わせられ得る。
幾つかの例において、少なくとも１つのエネルギービームは、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、１００、又はそれ以上のエネルギービームである。少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光であるか、又はそれを含み得る。場合によっては、少なくとも１つのエネルギービームはレーザービームである。
少なくとも１つのエネルギービームは、画像又は画像セットとして配向され得る。画像は、経時的に固定され、又は経時的に変化され得る。少なくとも１つのエネルギービームは、映像として配向され得る。
コンピュータ命令は、３Ｄ生体物質のコンピュータモデル又は表現に相当し得る。コンピュータ命令はコンピュータモデルの一部であり得る。幾つかの実施形態において、コンピュータ命令は、３Ｄ生体物質に相当する画像のセットを含み得る。
少なくとも１つのエネルギービームは、ホログラフィック画像又は映像として配向され得る。これは、例えば多層にて（例えば重合により）ポリマーマトリックスの形成を同時に誘導するために、媒体における様々な点を少なくとも１つのエネルギービームに同時にさらすことを可能にし得る。場合によっては、３Ｄ画像又は映像は、例えば空間光変調器（ＳＬＭ）使用して、異なる焦点で媒体へと投影され得る。
コンピュータ命令は、例えば少なくとも１つのエネルギービームの源への電力の適用（例えばレーザーオン／オフ）など、３Ｄ生体物質の形成中に時間に応じて少なくとも１つのエネルギービームの１つ以上のパラメータの調整を含み、及び／又はそれを配向し得る。そのような調整は、３Ｄ生体物質に相当する画像又は映像（例えばホログラフィック画像又は映像）に従って行われてもよい。代替的に又は付加的に、コンピュータ命令は、３Ｄ生体物質が形成されるステージの位置の調整を含む、及び／又はそれを配向し得る。
場合によっては、３Ｄ生体物質の形成中又はその後に、複数の細胞の少なくとも部分集合の少なくとも一部は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を形成するために分化にさらされ得る。これは、例えば薬剤に細胞をさらす、又は分化を引き起こす条件に細胞をさらすことによって、利用され得る。代替的に又は付加的に、細胞は脱分化にさらされ得る。
本開示の別の態様は、第１の媒体を含む媒体チャンバを提供して、３Ｄ生体物質を印刷するための方法を提供する。第１の媒体は、第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含み得る。少なくとも１つのエネルギービームは、３Ｄ生体物質の第１の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第１の媒体の少なくとも一部をさらすために、３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第１の媒体に向けることができる。次に、第２の媒体が媒体チャンバに提供され得る。第２の媒体は、第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み得る。第２の複数の細胞は、第１の複数の細胞とは異なるタイプであり得る。次に、少なくとも１つのエネルギービームは、３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に向けること向けることができる。
本開示の他の態様において、３Ｄ生体物質を印刷するためのシステムは、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む複数の細胞と１つ以上のポリマー前駆体とを含む媒体を含有するように構成された媒体チャンバ；媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；及び（ｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように個々に又は総体的にプログラムされる、コンピュータプロセッサを含む。
他の態様において、３Ｄ生体物質を印刷するためのシステムは、複数の細胞及び複数のポリマー前駆体を含む媒体を含むように構成された媒体チャンバ；媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；（ｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向け；及び（ｉｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように構成される、コンピュータプロセッサを含み、第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、第２の複数の細胞は第１の複数の細胞とは異なるタイプである。
本開示の他の態様において、三次元（３Ｄ）物体を印刷するための方法は、１つ以上の前駆体から形成された物質を含む３Ｄ物体を生成するために、１つ以上の前駆体を含む媒体へと少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み、少なくとも１つのエネルギービームは、３Ｄ物体に相当する３Ｄ投影として媒体へと配向される。
他の態様において、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法は、３Ｄ生体物質の第１の部分及び第２の部分を生成するために、少なくとも１つのエネルギービームを、１）第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体、及び２）第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含む第２の媒体に向ける工程を含む。
図１を参照すると、所望の組織の急速な多光子印刷のためのシステム（１００）の実施形態が例示される。ここで、システム（１００）は、ソリッドモデルのコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデリングシステム（１１２）によって駆動されるレーザー印刷システム（１１０）を含む。本実施形態において、ＣＡＤモデリングシステム（１１２）は、所望の組織及び追加のパラメータのＣＡＤモデルに基づいてレーザー印刷システム（１１０）を制御するコンピュータ（１１４）を含む。レーザー印刷システム（１１０）は、完全な部分又は特定の部分において所望の構造に一致するために媒体チャンバ（１２２）へと多光子レーザービーム（１２０）の波形を投影する、多光子組織印刷ヘッド（１１８）と通信状態のレーザーシステム（１１６）を含む。多光子組織印刷ヘッド（１１８）は、媒体チャンバ（１２２）内にＣＡＤモデル化組織の二次元及び／又は三次元の、且つ従ってホログラフィック投影を提供するために、媒体チャンバ（１２２）の側面及び軸面において多光子レーザービーム（１２０）を送達する、少なくとも１つの対物レンズ（１２４）を含む。対物レンズ（１２４）は、水浸対物レンズ、空気対物レンズ、又は油浸対物レンズでもよい。二次元及び三次元のホログラフィック投影は、同時に生成され、且つレンズ制御によって異なる領域へと投影され得る。媒体チャンバ（１２２）は、細胞、重合化可能な物質、及び培養媒体で構成された媒体を含有している。重合化可能な物質は、生物適合性であり、溶解可能であり、場合によっては生物学的に不活性である、重合化可能な単量体単位を含み得る。単量体単位（又はサブユニット）は、生成される組織に特異的な細胞基質及び基底膜構造などの、細胞含有構造を作成するために、多光子レーザービーム（１２０）に応じて重合し、架橋し、又は反応し得る。単量体単位は、マトリックスを形成するために重合及び／又は架橋し得る。場合によっては、重合化可能な単量体単位は、所望の組織マトリックスに応じてパーセンテージを変動させるために、エラスチン及びヒアルロン酸を含むがこれらに限定されない他の細胞外マトリックス構成成分とコラーゲンとの混合物を含み得る。
細胞含有構造を作成するために使用される細胞外マトリックス構成成分の非限定的な例は、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸、及びケラタン硫酸などのプロテオグリカン、ヒアルロン酸、コラーゲン、及びエラスチンなどの非プロテオグリカン多糖、フィブロネクチン、ラミニン、ニドゲン、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。これらの細胞外マトリックス構成成分は、多光子励起により、又は１つ以上の化学的なドープ剤の多光子励起により直接引き起こされた架橋結合を促進するために、アクリラート、ジアクリラート、メタクリラート、シンナモイル、クマリン、チミン、又は他の側鎖基、或いは化学的に反応性の部分により官能化され得る。場合によっては、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーは、細胞含有構造を作成するために細胞外マトリックス構成成分と合わせて使用され得る。光重合性マクロマーの非限定的な例は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）アクリラート誘導体、ＰＥＧメタクリラート誘導体、及びポリビニルアルコール（ＰＶＡ）誘導体を含み得る。幾つかの例において、細胞含有構造を作成するために使用されるコラーゲンは、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、Ｖ、及びＸ型のコラーゲンなどの原繊維性コラーゲン、ＩＸ、ＸＩＩ、及びＸＩＶ型のコラーゲンなどのＦＡＣＩＴコラーゲン、ＶＩＩＩ及びＸ型のコラーゲンなどの短鎖コラーゲン、ＩＶ型コラーゲンなどの基底膜コラーゲン、ＶＩ型コラーゲン、ＶＩＩ型コラーゲン、ＸＩＩＩ型コラーゲン、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。
単量体単位の特定の混合物は、重合されたバイオゲルの最終的な特性を変えるために作成され得る。このベース印刷混合物は、合成され、且つ生物物質及び合成物質の混成物を含む哺乳動物組織に固有でない、他の重合性単量体を含有し得る。混合物の一例は、約５０％ｗ／ｖのポリエチレングリコールジアクリラート（ＰＥＧＤＡ）を加えた約０．４％ｗ／ｖのコラーゲンメタクリラートを含み得る。重合を引き起こす光重合開始剤は、紫外線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）、又は可視光線範囲において反応性であり得る。２つのそのような光開始剤の例は、エオシンＹ（ＥＹ）及びトリエタノールアミン（ＴＥＡ）であり、これらは組み合わせられると、可視光（例えば約３９０〜７００ナノメートルの波長）への曝露に応じて重合し得る。光重合開始剤の非限定的な例は、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、ベンゾイン誘導体、ベンジケタール（ｂｅｎｚｉｋｅｔａｌｓ）、ヒドロキシアルキルフェノン、アセトフェノン誘導体、トリメチロールプロパントリアクリラート（ＴＰＴ）、アクリロイルクロライド、過酸化ベンゾイル、カンファーキノン、ベンゾフェノン、チオキサントン、及び２−ヒドロキシ−１−［４−（ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−メチル−１−プロパノンを含み得る。ヒドロキシアルキルフェノンは、４−（２−ヒドロキシエチルエトキシ）−フェニル−（２−ヒドロキシ−２−メチルプロピル）ケトン（Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）２９５）、１−ヒドロキシシクロヘキシル−１−フェニルケトン（Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）１８４）、及び２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）６５１）を含み得る。アセトフェノン誘導体は、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡ）を含み得る。チオキサントンはイソプロピルチオキサントンを含み得る。
生体物質の単量体単位の特定の混合物は、重合されたバイオゲルの最終的な特性を改変するために作成することができ、混合物の例は、約１ｍｇ／ｍＬのＩ型コラーゲン−メタクリラート、約０．５ｍｇ／ｍＬのＩＩＩ型コラーゲン、約０．２ｍｇ／ｍＬのメタクリル化ヒアルロン酸、約０．１％のエオシンＹ、及び約０．１％のトリエタノールアミンを含み得る。
場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の少なくとも約０．０１％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の約１０％以上を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の約０．１％を含む。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の約０．０１％〜約０．０５％、約０．０１％〜約０．１％、約０．０１％〜約０．２％、約０．０１％〜約０．３％、約０．０１％〜約０．４％、約０．０１％〜約０．５％、約０．０１％〜約０．６％、約０．７％〜約０．８％、約０．９％〜約１％、約０．０１％〜約２％、約０．０１％〜約３％、約０．０１％〜約４％、約０．０１％〜約５％、約０．０１％〜約６％、約０．０１％〜約７％、約０．０１％〜約８％、約０．０１％〜約９％、又は約０．０１％％〜約１０％を含み得る。
重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の約０．０５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．１％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．２％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．３％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．４％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．６％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．７％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．８％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の０．９％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．１％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．２％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．３％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．４％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．６％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．７％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．８％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１．９％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の２％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の２．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の３％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の３．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の４％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の４．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の５．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の６％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の６．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の７％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の７．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の８％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の８．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の９％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の９．５％を含み得る。重合されたバイオゲルは、光重合開始剤の１０％を含み得る。
場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの少なくとも約１０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９９％以上を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約５０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約１０％〜約１５％、約１０％〜約２０％、約１０％〜約２５％、約１０％〜約３０％、約１０％〜約３５％、約１０％〜約４０％、約１０％〜約４５％、約１０％〜約５０％、約１０％〜約５５％、約１０％〜約６０％、約１０％〜約６５％、約１０％〜約７０％、約１０％〜約７５％、約１０％〜約８０％、約１０％〜約８５％、約１０％〜約９０％、約１０％〜約９５％、又は約１０％〜約９９％を含み得る。
場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約１０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約１５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約２０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約２５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約３０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約３５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約４０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約４５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約５０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約５５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約６０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約６５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約７０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約７５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約８０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約８５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９０％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９５％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９６％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９７％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９８％を含み得る。場合によっては、重合されたバイオゲルは、光重合性マクロマー及び／又は光重合性モノマーの約９９％を含み得る。
二光子吸収は非線形であり、且つ、化学物質の単一光子吸収特性に基づいて正確に予測又は算出することができない。光反応性の化学物質は、単一光子吸収の二倍又は約二倍のピーク二光子吸収を持つ、或いは、吸収スペクトルにおいてわずかに赤方偏移され得る。それ故、９００ナノメートル又は約９００ナノメートル〜約１４００ナノメートルの波長は、重合反応の触媒、例えばＥＹ又はＴＥＡの混合を刺激することによるモノマー物質の重合のために使用され得る。単一波長重合は全ての構造要素の作成に十分かもしれないが、印刷プロセスの速度を更に上げるために、多波長が、同じ印刷装置を通って且つ同じ印刷チャンバへと同時に利用されてもよい。
異なる吸収帯を含む触媒との重合化可能な単量体単位の予備混合又は予備反応は、媒体チャンバ（１２２）内に異なる基質ベースの構造要素を同時に形成するために異なる波長での印刷を可能にし得る。故に、特定の構造要素は、特定の波長にレーザーの励起波長を合わせることにより生成され、その後、他の構造要素は、より高い効率で１つの物質基部の重合を開始する異なる光重合開始剤を相互作用し得る異なる励起波長に、別の又は同じレーザーを合わせることにより、既存の要素のまわりで生成され得る。同様に、異なる波長は異なる構造要素のために使用されてもよく、疎剛性の増加は一部の位置に望ましく、軟性又は弾性の構造は他の位置に望ましい。重合化可能な物質の異なる物理的性質のために、これは、潜在的により剛性で、軟性で、又は弾性の構造が、単にレーザーの励起波長を電子的に合わせること、異なるレーザーとの間で切り替えること、又は２つの異なる波長を同時に投影することによって、同じ細胞での同じ印刷工程において作成されることを、可能にし得る。
図２Ａ−２Ｃは、媒体チャンバ（１２２）内の所望の組織の生成のステージの例を例示する。図２Ａは、第１の細胞群、重合化可能な物質、及び培養媒体で構成された媒体（１２６）を含有している媒体チャンバ（１２２）を例示する。本実施形態において、多光子レーザービーム（１２０）のパルスは、所望の組織の血管構造物及び微小血管系に相当するＣＡＤモデルに従い、媒体（１２６）に送達され得る。幾つかの例において、第１の細胞群は、内皮細胞、毛細血管の内皮細胞、周皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、内皮の始原細胞、幹細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、血管及び／又は毛細血管の細胞を含み得る。故に、媒体（１２６）の部分は、所望の組織の脈管構造及び微小血管系を表わす細胞含有スキャフォールド（１２８）を形成するために、重合し、架橋し、又は反応し得る。その後、本実施形態において、媒体（１２６）は、第１の細胞群及び関連する媒体を取り除くために、第１のポート（１３０ａ）、第２のポート（１３０ｂ）、第３のポート（１３０ｃ）、第４のポート（１３０ｄ）、及び第５のポート（１３０ｅ）を介して排出され得る。幾つかの例において、媒体チャンバ（１２２）は少なくとも１つのポートを含み得る。幾つかの例において、媒体チャンバ（１２２）は、少なくとも１つのポートから最大１００のポートに及ぶ複数のポートを含み得る。媒体チャンバ（１２２）は少なくとも２つのポートを含み得る。媒体チャンバ（１２２）は少なくとも３つのポートを含み得る。媒体チャンバ（１２２）は少なくとも４つのポートを含み得る。媒体チャンバ（１２２）は少なくとも５つのポートを含み得る。
図２Ｂを参照すると、媒体チャンバ（１２２）は、ポート（１３０）を介して、第２の細胞群、重合化可能な物質、及び培養媒体を含有している媒体（１２６）に充填され得る。この第２の細胞群は、既存の細胞含有スキャフォールド（１２８）のまわりに組織構造を生成するために使用され得る。幾つかの例において、細胞含有スキャフォールド（１２８）は血管スキャフォールドでもよい。印刷された血管スキャフォールドは、内皮細胞、血管内皮細胞、周皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、内皮の始原細胞、幹細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、内皮細胞、毛細血管の内皮細胞、周皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、内皮の始原細胞、リンパ細胞、ヘルパーＴ細胞及び細胞傷害性Ｔ細胞などのＴ細胞、Ｂ細胞、ナチュラルキラー（ＮＫ）細胞、細網細胞、肝細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、外分泌腺の分泌性上皮細胞、ホルモン分泌細胞、上皮細胞、神経細胞、脂肪細胞、腎臓細胞、膵細胞、肺細胞、細胞外マトリックス細胞、筋細胞、血液細胞、免疫細胞、生殖細胞、間質細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、唾液腺粘液細胞、乳腺細胞、エクリン腺細胞及びアポクリン汗腺細胞などの汗腺細胞、皮脂腺細胞、ＩＩ型肺細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、外分泌腺の分泌性上皮細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、下垂体前葉製剤細胞、脳下垂体中葉細胞、大形細胞の神経分泌細胞、腸管細胞、気道細胞、甲状腺細胞、副甲状腺細胞、副腎細胞、ライディッヒ細胞、内卵胞膜細胞、黄体細胞、傍糸球体細胞、緻密斑細胞、周血管極細胞、メサンギウム細胞、α細胞、β細胞、δ細胞、ＰＰ細胞、及びε細胞などの膵島細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、ホルモン分泌細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、ケラチノサイト、基底細胞、及び毛幹細胞などの角質化上皮細胞、重層偏平上皮の表面上皮細胞、角膜上皮の基底細胞、及び泌尿器系の上皮細胞などの階層化された障壁上皮細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、上皮細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、感覚変換器細胞、自律神経性ニューロン細胞、末梢性ニューロン支持細胞、介在ニューロンなどの中枢神経系ニューロン、紡錘体ニューロン、錐体細胞、星細胞、アストロサイト、オリゴデンドロサイト、脳室上衣細胞、グリア細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、神経細胞又はニューロンを含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、壁細胞、有足細胞、メサンギウム細胞、遠位尿細管細胞、近位尿細管細胞、ヘンレ係蹄の薄いセグメント細胞（Ｌｏｏｐ ｏｆ Ｈｅｎｌｅ ｔｈｉｎ ｓｅｇｍｅｎｔ ｃｅｌｌｓ）、集合管細胞、間質腎臓細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、腎臓細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、Ｉ型肺細胞、肺胞細胞、毛細管内皮細胞、肺胞マクロファージ、気管支上皮細胞、気管支平滑筋細胞、気管上皮細胞、小気道上皮細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、肺細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、上皮細胞、線維芽細胞、周皮細胞、軟骨細胞、骨芽細胞、骨細胞、骨原性細胞、星細胞、肝臓星細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、細胞外マトリックス細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、骨格筋細胞、心筋細胞、プルキニエ繊維細胞、平滑筋細胞、筋上皮細胞、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、筋細胞を含み得る。
第１の細胞群及び／又は第２の細胞群は、赤血球、巨核球、単球、マクロファージ、破骨細胞、樹状細胞、小膠細胞、好中球、好酸球、好塩基球、マスト細胞、ヘルパーＴ細胞、サプレッサーＴ細胞、細胞傷害性Ｔ細胞、ナチュラルキラーＴ細胞、Ｂ細胞、ナチュラルキラー（ＮＫ）細胞、網状赤血球、又はそれらの任意の組み合わせを含むがこれらに限定されない、血液細胞及び／又は免疫細胞を含み得る。
図２Ｃは、残りの組織のＣＡＤモデルに従う、媒体（１２６）への多光子レーザービーム（１２０）のパルスの送達を例示する。故に、媒体（１２６）の追加の部分は、既存の血管スキャフォールド（１２８）を傷つけず又は影響を及ぼすことなく既存の細胞含有スキャフォールド（１２８）（これ以上視認できない）のまわりに細胞含有構造（１３２）を形成するために、重合し、架橋し、又は反応し得る。媒体（１２６）を排出する工程、新たな媒体（１２６）に再充填する工程、及びレーザーエネルギーを送達する工程は、所望の複合組織を作成するために任意の回数を繰り返され得る。
図２Ｄは、細胞含有スキャフォールド（１２８）が媒体（１２６）を含有する媒体チャンバ（１２２）の底部に沿って印刷され得る実施形態を例示する。故に、スキャフォールド（１２８）は、独立して立たない、又は独立して浮遊しない場合がある。多チャネル入力は、一方向からの総体流、総体流が小さな特徴から望まれない細胞を洗浄しない際の微細構造の不均一な洗浄、及び組織印刷チャンバへと循環される際の新たな細胞含有媒体の不均一な分布に関連付けられる剪断力を減少し得る。多数の入力は、上部、底部、側面、又は３つ全てから同時に生じ得る。多数の入力は、細胞含有構造が比較的脆弱であり、且つチャンバを介した媒体交換に関連付けられる流体力の適用によって潜在的に分裂されるので、組織印刷に特に望ましい。図２Ｄは、組織が媒体チャンバの底プレート上で印刷され得ることを示す。幾つかの実施形態において、細胞及び組織は、媒体チャンバの底部に対してフラッシュ印刷され得る。加えて、この設計は、印刷組織の容易な輸送、及びレーザー印刷ヘッド（収束物体）下で位置決めすることを可能にし、及び、媒体交換及び印刷が大気への暴露無しに行われることを可能にするクローズドシステムである。これは、大気への曝露が、有用な組織の発達を妨害する又は完全に破壊し得る細胞培養媒体へと感染因子を導入することができるため、望ましい場合がある。
レーザー印刷システム
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するためのシステムを提供する。ｘ、ｙ及びｚ次元は、本明細書で提供されるシステムによって同時にアクセスされ得る。３Ｄ生体物質を印刷するためのシステムは、細胞含む複数の細胞と１つ以上のポリマー前駆体とを含む媒体を含有するように構成された媒体チャンバを含み得る。複数の細胞は、少なくとも１つのタイプの細胞を含み得る。複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含み得る。前記システムは、媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源を含み得る。前記システムは、媒体チャンバ及び／又は細胞含有チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源を含み得る。前記システムは、少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に繋がれた１つ以上のコンピュータプロセッサを含み、１つ以上のコンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーからの３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；及び３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように個々に又は総体的にプログラムされる。
他の態様において、本開示は、複数の細胞及び複数のポリマー前駆体を含む媒体を含有するように構成された媒体チャンバを含む、３Ｄ生体物質を印刷するための追加のシステムを提供する。前記システムは、媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源を含み得る。加えて、前記システムは、少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に繋がれ得る１つ以上のコンピュータプロセッサを含み得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーからの３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；（ｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向け；及び（ｉｉｉ）３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように構成され、第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、第２の複数の細胞は第１の複数の細胞とは異なるタイプである。
１つ以上のコンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し、且つ、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を生成するべく前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を使用するように、個々に又は総体的にプログラムされる。１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。
前記システムは、少なくとも１つのエネルギー源及び／又は少なくとも１つの光パターン化要素に動作可能に繋がれた１つ以上のコンピュータプロセッサを含み得る。コンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現は、ホログラフィックポイントクラウド表現又はホログラフィックラインベース表現であり得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、少なくとも１つのエネルギー源によって照射されるようにホログラフィック画像を再投影するために、光パターン化要素を使用するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。
場合によっては、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を画像に変換するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラムとして画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、部分的なホログラムとして画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。場合によっては、１つ以上のコンピュータプロセッサは、アルゴリズムの変換を介して一連のホログラフィック画像へと完全な画像セットのポイントクラウド表現又はラインベース表現を変換するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。その後、この変換された画像セットは、システムを介して、空間光変調器（ＳＬＭ）又はデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などの光パターン化要素によって順に投影され、印刷チャンバ内の投影画像を、２Ｄ及び／又は３Ｄで同時に分布される投影光と反応させる。拡大され又は広げられたレーザービームは、ホログラフィック画像の投影システムとして機能する、ＳＬＭ及び／又はＤＭＤ上へと投影され得る。場合によっては１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。場合によっては、１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式でより大きな３Ｄ構造を形成するために、映像として一度に全て又は順番に再生された画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。
ホログラフィーは、多次元（例えば２Ｄ及び／又は３Ｄ）ホログラフィック画像又はホログラムを投影する技術である。媒体を光重合することが可能なレーザーがホログラムとして投影されると、レーザーは、光重合し、凝固し、架橋し、結合し、硬化し、及び／又は、投影されたレーザー光経路に沿って媒体の物理特性を変化させ；故に、レーザーは、３Ｄ構造の印刷を可能にし得る。ホログラフィーは、ホログラフィック画像を作成するためにレーザー光線又はコヒーレント光の源などの光源を必要とし得る。ホログラフィック画像は、経時的に一定、又は経時的に変動し得る（例えばホログラフィック映像）。更に、ホログラフィーは、レーザー光経路を開く又は移動させるためのシャッタ、レーザー光を別個の経路に分割するビームスプリッター、レーザー光経路を配向するためのミラー、ビームを拡大するための発散レンズ、及び追加のパターン化要素又は光配向要素を必要とし得る。
物体のホログラフィック画像は、発散レンズでレーザービームを拡大すること、及び、拡大したレーザービームを、ホログラムの上、及び／又は例えば空間光変調器又はＳＬＭなどの少なくとも１つのパターン形成要素の上へと向けることによって、作成され得る。パターン形成要素は、レーザービーム経路へとホログラフィック画像を含むパターンをコードし得る。パターン形成要素は、レーザービーム経路へと部分的なホログラムを含むパターンをコードし得る。次に、パターンは、印刷物質（即ち、複数の細胞及びポリマー前駆体を含む媒体）を含有している媒体チャンバの方へと配向され且つそこに焦点を合わせられ、ここで、パターンは、印刷物質（即ち、媒体）で発見された光反応性の光重合開始剤を励起させることができる。次に、光反応性の光重合開始剤の励起は、ポリマーベースの印刷物質の光重合を引き起こすことができ、所望のパターン（即ち、ホログラフィック画像）で構造を形成する。場合によっては、１つ以上のコンピュータプロセッサは、別個のエネルギービーム経路に沿ってエネルギー源を向けることによってホログラフィック画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。
場合によっては、少なくとも１つのエネルギー源は複数のエネルギー源であり得る。幾つかの実施形態において、複数のエネルギー源は、複数の少なくとも１つのエネルギービームを配向し得る。エネルギー源はレーザーであり得る。幾つかの例において、レーザーはファイバーレーザーでもよい。例えば、ファイバーレーザーは、例えばエルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、ツリウム、及び／又はホルミウムなどの、希土類元素の要素でドープされた光ファイバーを含む、活性利得媒質を伴うレーザーでもよい。エネルギー源は短パルスレーザーでもよい。エネルギー源はフェムト秒パルスレーザーでもよい。フェムト秒パルスレーザーは、約５００フェムト秒（ｆｓ）、２５０、２４０、２３０、２２０、２１０、２００、１５０、１００、５０ｆｓ、４０ｆｓ、３０ｆｓ、２０ｆｓ、１０ｆｓ、９ｆｓ、８ｆｓ、７ｆｓ、６ｆｓ、５ｆｓ、４ｆｓ、３ｆｓ、２ｆｓ、１ｆｓ以下のパルス幅を有し得る。フェムト秒パルスレーザーは、例えばチタン：サファイア（Ｔｉ：Ｓａ）レーザーでもよい。少なくとも１つのエネルギー源は、コヒーレント光源に由来し得る。
コヒーレント光源は、約３００ナノメートル（ｎｍ）〜約５ミリメートル（ｍｍ）の波長を持つ光を提供することができる。コヒーレント光源は、約３５０ｎｍ〜約１８００ｎｍ、又は約１８００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を含み得る。コヒーレント光源は、少なくとも約３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、又はそれ以上の波長を持つ光を提供することができる。
コンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされ得る。幾つかの実施形態において、１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ軸、ｘ及びｙ面、又はｘ、ｙ、及びｚ面に沿う場合がある。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｘ軸に沿う場合がある。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｙ軸に沿う場合がある。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｚ軸に沿う場合がある。エネルギービーム経路は、同じ軸上で１つ以上の他のビームに収束し得る。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｘ及びｙ面に存在し得る。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｘ及びｚ面に存在し得る。１つ以上の追加のエネルギービーム経路はｙ及びｚ面に存在し得る。１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ、ｙ、及びｚ面に存在し得る。
前記システムは、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるための少なくとも１つの対物レンズを更に含み得る。幾つかの例において、少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含み得る。幾つかの例において、少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含み得る。幾つかの例において、少なくとも１つの対物レンズは水浸（ｗａｔｅｒ ｄｉｐｐｉｎｇ）対物レンズを含み得る。幾つかの例において、少なくとも１つの対物レンズは油浸対物レンズを含み得る。幾つかの例において、少なくとも１つの対物レンズは、色消し対物レンズ、セミアポクロマート対物レンズ、プラン対物レンズ、液浸対物レンズ、ホイヘンス対物レンズ、ラムスデン対物レンズ、ペリプラン対物レンズ、補償対物レンズ、広視野対物レンズ、超視野対物レンズ、コンデンサ対物レンズ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。コンデンサ対物レンズの非限定的な例は、アッベ集光レンズ、非染色性コンデンサ、及び一般的なコンデンサを含み得る。
幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の縁の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされ得る。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の外部表面の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされ得る。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の内部表面の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされ得る。幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の内部の画像を受け取るように個々に又は総体的にプログラムされ得る。
幾つかの実施形態において、１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ生体物質の他の組織との結合を誘導するように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従い得る。１つ以上のコンピュータプロセッサは、３Ｄ印刷物質を既に印刷された構造と直接連結し、統合し、結合し、又は接合させるように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従い得る。場合によっては、３Ｄ生体物質の他の組織との結合は、化学的架橋、機械的結合、及び／又は凝集的カップリングを含み得る。
他の態様において、前記システムは、複数の細胞及び複数のポリマー前駆体を含む媒体を含有するように構成された媒体チャンバを含み得る。前記システムは、媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源を含み得る。前記システムは、少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に繋がれた１つ以上のコンピュータプロセッサを含み、１つ以上のコンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルを受け；コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し；３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルに従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向け；及び３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルに従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、少なくとも１つのエネルギー源を向けるように、個々に又は総体的にプログラムされ、第２の複数の細胞は、第１の複数の細胞とは異なるタイプである。
細胞構造のレーザー印刷において、最小限に毒性のレーザー励起を使用する急速な三次元構造生成は、細胞の生存率の維持に重要であり、且つ、機能性組織の印刷の場合には、大フォーマット、高分解能、多細胞組織生成に必要である。二光子印刷の他の方法は、二次元平面（ｘ、ｙ）における二光子励起のラスタースキャン（例えば、選択的なレーザー）に依存しつつ、三次元構造を作るためにｚ方向で顕微鏡又はステージを動かすことができる。この技術は、細胞生存率が複雑な構造の印刷中に恐らく維持することができなくなるように、大フォーマットの組織印刷を極端に遅くし得る。高い重合速度を持つ特定のヒドロゲルも、１枚の構造がｘ、ｙ、又はｚ面において各工程で投影されるように時間を合わせられる、組織シートの二次元投影のために利用され得る。加えて、シートを表わす又は直交スライスを含む混合平面角も、利用され得る。ヒドロゲルを急速に重合する場合、これらの投影は、組織印刷に適合可能な時間スケールで作用し、一方でレーザー焼結又はラスタースキャン（例えば、層ごとの堆積）は、複雑な構造の構築を極端に遅くし得る。
本開示のレーザー印刷システム（１１０）は、細胞含有構造の急速な作成のために側面及び軸面における三次元又は二次元のホログラフィック投影の収束化を可能にし得る、対物レンズ（１２４）を備えてもよい。対物レンズ（１２４）は、水浸対物レンズ、空気対物レンズ、又は油浸対物レンズでもよい。場合によっては、レーザー印刷システム（１１０）は、多数のレーザーラインを持つレーザーシステム（１１６）を含み、且つ、細胞含有媒体へのホログラフィック投影を介したフォトリソグラフィのために画像の三次元ホログラフィック投影を可能にし得る。
図３Ａは、第１の多光子レーザー源（１４０ａ）を持つレーザーシステム（１１６）の実施形態を例示する。ここで、レーザーライン、多光子レーザービームは、投影されている三次元構造の急速な変化を可能とするために、画像投影のためのビデオレート又はより速いリフレッシュレートで空間光変調器（ＳＬＭ）によって反射され得る。
場合によっては、空間光変調器（ＳＬＭ）は３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。場合によっては、本明細書に提供される方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルを受け取る工程、及び、コンピュータモデルが層へと「スライス」されて各層の二次元（２Ｄ）モデルを作成するようにコンピュータモデルを更に処理する工程を含み得る。コンピュータモデルはコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデルでもよい。本明細書に開示されるシステムは、印刷される３Ｄ生体物質の境界輪郭及び／又は充填配列を判定する、「スライスされた」コンピュータモデルに基づいてレーザースキャン経路を算出するように個々に又は総体的にプログラムされ得る、少なくとも１つのコンピュータプロセッサを含み得る。ホログラフィック３Ｄ印刷は、本明細書に記載された１つ以上のポリマー前駆体と共に使用され得る。ＳＬＭは、本明細書に記載された２つ以上のポリマー前駆体と共に使用され得る。
空間光変調器（ＳＬＭ）は、固定された空間的（即ち、ピクセル）パターンに従って空間及び時間における光波の振幅、位相、極性化、伝播方向、強度、又はそれらの任意の組み合わせを調節する可能な、電気的にプログラム可能なデバイスである。ＳＬＭは、半透明、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）マイクロディスプレイに基づき得る。ＳＬＭは、反射型、例えばシリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイに基づき得る。ＳＬＭは、マイクロチャネル空間光変調器（ＭＳＬＭ）、平行配向ネマチック液晶空間光変調器（ＰＡＬ−ＳＬＭ）、プログラム可能な位相モジュレータ（ＰＰＭ）、位相空間光変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ）、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。ＬＣＯＳ−ＳＬＭは、シリコン基板の上部に配置された液晶層を含むチップを含み得る。回路は、半導体技術の使用によりチップのシリコン基板上に構築され得る。ＬＣＯＳ−ＳＬＭチップの上部層は、それらの電位を独立して制御することができるアルミニウム電極を含有し得る。ガラス基板は、液晶物質により充填される一定の間隙を維持しながらシリコン基板に配置され得る。液晶分子は、シリコン及びガラスの基板に設けられる位置合わせ制御技術によって平行に位置合わせされ得る。この液晶層にわたる電場は、ピクセルごとに制御され得る。光の位相は、電場の制御により調節することができ；電場の変化は、液晶分子を適宜傾かせる場合がある。液晶分子が傾斜すると、液晶屈折率は変化し、光路長を変更し、故に位相差異を引き起こし得る。
ＳＬＭは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。シリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）−ＳＬＭは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。液晶ＳＬＭは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。ＳＬＭは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を投影するために使用され得る。本明細書に開示される方法は、ポイントクラウド表現又はラインベース表現をホログラフィック画像に変換する工程を含み得る。ＳＬＭは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのホログラフィック画像を投影するために使用され得る。ＳＬＭは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現の光の位相を調節するために使用され得る。ＳＬＭは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのホログラフィック画像の光の位相を調節するために使用され得る。
三次元での多光子励起の投影も、二重のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）システム単独、又は空間光変調器（ＳＬＭ）と組み合わせての使用により達成することができる。一対のＤＭＤは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために一対のＳＬＭと共に使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために使用され得る。一対のＳＭＬは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために使用され得る。一対のＤＭＤは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＤＭＤは、本明細書に記載される方法を使用して３Ｄ物質を印刷するために使用され得る。ＤＭＤは、高速の、効率的で、確実な空間的光変調を可能にする、電気入力、光出力の、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）である。ＤＭＤは、長方形の配列で配置された複数の顕微鏡ミラー（通常、何十万又は何百万ほど）を含み得る。ＤＭＤの各顕微鏡ミラーは、表示される画像のピクセルに相当し、且つ、例えば約１０−１２°で「オン」又は「オフ」状態に回転され得る「オン」状態において、プロジェクタバルブからの光は、顕微鏡ミラーへと反射され、その相当するピクセルをスクリーン上で明るく見せる。「オフ」状態において、光は、他の場所に（通常、ヒートシンク上）に向けられ、顕微鏡ミラーの相当するピクセルを暗く見せる。ＤＭＤの顕微鏡ミラーは、高度に反射的なアルミニウムで構成され、その全長はおよそ１６マイクロメートル（μｍ）である。各顕微鏡ミラーは、関連する半導体メモリーセルの上部に構築され、且つ、順にトーションヒンジを介して一対のサポートポストに接続されるヨーク上へと取り付けられ得る。各顕微鏡ミラーの動きの程度は、「１」又は「０」を各基礎的な半導体メモリーセルに搭載することにより制御され得る。次に、電圧が印加され、これにより、各顕微鏡ミラーは、トーションヒンジの周囲で静電引力を介して関連する＋／−程度の状態へと静電気学的に偏向され得る。
図３Ａ−３Ｃを参照すると、ビームエクスパンダ、続いて固定されたアキシコン又は調整可能な音響勾配（ＴＡＧ）レンズのいずれかであるベッセルビーム生成レンズの追加は、特に濁った溶液における、より高い分解能及びより深い組織印刷深度を達成するべくレーザーの特性を改質するために追加され得る。随意のビームエクスパンダ及び／又はベッセルビーム生成レンズを含み得るレーザーラインは、組織印刷に関連付けられる特定の構造の形成に都合の良い物質を備えた別個の投影システムへと、高速切替ミラーにより配向される。場合によっては、ＳＬＭシステムと協働する高分解能ＤＭＤミラーは、２つのＳＬＭシステムにより有能なものよりも高い軸方向分解能を達成し得る。最後に、レーザーラインは、軸面のいずれにおいても二次元画像のスキャンが少ない投影を可能とするためにミラーと協働してする単一のＤＭＤ又はＳＬＭシステムと共に使用され得る。３Ｄ投影パターンはまた、より大きな視野にわたってラスタースキャンされ、ここで、レーザー放射パターン、波長、及び／又はパワーは、凝集性及び複雑な構造が堆積され得るようにラスタースキャン速度を一致させるために制御される。１より多くのレーザーラインを含有しているシステム内で、構成は、二重のＳＬＭ、二重のＤＭＤ、単一のＳＬＭ、単一のＤＭＤ、又は単純な平面のスキャンの任意の組み合わせであり得る。
場合によっては、図３Ａ−３Ｃに示されるものなどの１つ以上の光路は、独立して又は一斉に使用され得る。図３Ａに記載されるように、光路内で光又はエネルギービームを収束し且つ分配する、レンズ、回折格子、及びミラーは、主要要素を通じて光を分配する又は回折格子の場合には入射光を調節するために必要な、主要な波面形成要素間に配され得る。少なくとも１つの回折格子又はミラーは、入力レーザー光を収束し、分配し、又は縮める（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）ために、波面形成要素「Ｆ」間（即ち、ＳＬＭ、ＤＭＤ、及び／又はＴＡＧレンズの間）に配され得る。光波面形成デバイスＦは、ＳＬＭ、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ、ＤＭＤ、ＴＡＧレンズ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。
場合によっては、ＤＭＤは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。ＤＭＤは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を投影するために使用され得る。本明細書に開示される方法は、ポイントクラウド表現又はラインベース表現をホログラフィック画像に変換する工程を含み得る。ＤＭＤは、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのホログラフィック画像を投影するために使用され得る。ＤＭＤは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
場合によっては、少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために本明細書に開示される方法で使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、連続して配置され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、平行に配置され得る。３Ｄ生体物質を印刷するために使用されると、ＳＬＭの任意の数及びＤＭＤの任意の数の組み合わせは、連続して配置され得る。３Ｄ生体物質を印刷するために使用されると、ＳＬＭの任意の数及びＤＭＤの任意の数の組み合わせは、平行に配置され得る。
少なくとも２つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも３つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも４つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも５つのＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１０のＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２０のＳＬＭ及び少なくとも１つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも２つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも３つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも４つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも５つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも１０のＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１つのＳＬＭ及び少なくとも２０のＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
少なくとも２つのＳＬＭ及び少なくとも２つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも３つのＳＬＭ及び少なくとも３つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも４つのＳＬＭ及び少なくとも４つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも５つのＳＬＭ及び少なくとも５つのＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１０のＳＬＭ及び少なくとも１０のＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２０のＳＬＭ及び少なくとも２０のＤＭＤの組み合わせは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
液晶ＳＬＭは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。複数のＳＬＭは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。複数のＳＬＭは連続して配置され得る。複数のＳＬＭは平行に配置され得る。少なくとも１つ以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２つ以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも３つ以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも４つ以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも５つ以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１０以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２０以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約５０以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約２０以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約１５以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約１０以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約５以上のＳＬＭは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
複数のＤＭＤは３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。複数のＤＭＤは連続して配置され得る。複数のＤＭＤは平行に配置され得る。少なくとも１つ以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２つ以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも３つ以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも４つ以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも５つ以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１０以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも２０以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約５０以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約２０以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約１５以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約１０以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。少なくとも１〜約５以上のＤＭＤは、３Ｄ生体物質を印刷するために使用され得る。
この設計において、ＳＬＭは液晶ＳＬＭを指し、ＤＭＤの機能はＳＬＭと同様であり得る。これらのレーザーは、多数のレーザーラインの位置及び印刷タイミングに対処するべく１つ以上のコンピュータ入力によって制御され得る。随意の一連の励起経路を含む、光路の全体設計の一例は、表１に提供される要素の更なる記載とともに、図３Ａに例示される。二光子励起光のパケット間の広範なパルス幅のために、非干渉的なこれらレーザーラインの任意の組み合わせは、印刷、及び同時の画像化による印刷のために同時に使用され得る。これは、ビームが交差しないように、ビーム間の干渉が実質的に低くなることを可能にし得る。それ故、最小〜ゼロの干渉を伴う多数のレーザーラインの使用は、表１に提供される要素の更なる記載とともに、図３Ｂ−３Ｃに例示されるように可能である。この構成における群遅延分散光学素子は、ピーク電力出力が特定の構成で使用される場合に光ファイバーケーブルを破損しないように、二光子パケットを分散させるために使用され得る。加えて、群遅延分散は、より多くのエネルギーが焦点に、又はより迅速な印刷を可能にする投影画像において付与されるように、光子をより短いパルス幅へと光子を集中することができる。
二光子励起パルスは、単一スポットでの励起がフェムト秒〜ナノ秒の長さの範囲のパルスで生じるように一時的に制御され、一方でこれら光子パケット間のタイミングは、そのパルス幅よりも３〜６桁だけ長い。これは、多数のレーザーの連続使用時に可能な同時印刷のために、多数のレーザーを使用するレーザー励起の最小の交差経路干渉を可能にし得る。構造の堆積のための３つの異なる理論的波長での多数のレーザー投影の一例は、図３Ｂに示される。多光子レーザーは調整可能であり；故に、これらは、波長の範囲が選択されることを可能にし得る。これは組織印刷に都合の良いものであり、ここで、異なる波長に反応する重合に対する異なる光重合開始剤は、余剰の物質の望まれない重合を防ぐべく、組み合わせで又は一連で使用され得る。それ故、これらのレーザーラインの各々は、異なる多光子出力波長に合わせられ、異なるピーク電力出力を持ち、及び、組織構造を含むＣＡＤ画像の異なる要素を投影し得る。
図４Ａ−４Ｂは、アキシコン又は調整可能な音響勾配（ＴＡＧ）レンズの前の随意のビームエクスパンダの配置を実証する。これは、焦点忠実度の損失なしに印刷中に組織及び不明瞭な媒体における深度浸透の増加のためにベッセルビームの生成を可能にし得る。この特徴は、電力損失なしに不明瞭な媒体又は既に形成された組織を介した印刷の深度を改善し得る。
レンズは、二重のＳＬＭ又はＤＭＤの組み合わせの後にレーザーを広げる或いは事前に収束させるために使用され得る。加えて、コンピュータ制御されるレーザー減衰仕掛け又はフィルタリングホイールが、印刷の部位にてレーザーパワー出力を制御するためにオプティックスを収束させる前に追加され得る。
図４Ｃは、ビームコレクタ（Ｂ）上にレーザービームを投影するレーザー源（Ａ）を例示する。ビームコレクタ（Ｂ）を出ると、レーザービームは、細胞付近でのコラーゲンネット印刷に対して２Ｄのｘ、ｙシート投影、及び与えられたＺ工程で印刷された結果として生じる構造のために、光ＴＡＧ又はアキシコン（Ｃ）に向けられ、更に、移動可能な単一のＳＬＭ又はＤＭＤ（Ｄ）に向けられる。レーザービームは、ＳＬＭ又はＤＭＤ（Ｄ）からミラー（Ｇ）に向けられ、その後、印刷ヘッドオプティックス（Ｈ）上へと反射され得る。この例において、二次元（２Ｄ）投影は、投影のフレームレートに一致するｚ−運動−段階的動作を伴う単一のＳＬＭで作成され得る。ｚ−スタックスライスの二次元映像投影は、各工程が２Ｄ画像を上下に印刷する別個の画像を投影するように、ｚ−動作で時間調整される単一のＤＭＤ又は単一のＳＬＭにより達成され得る。別の実施形態において、複雑な構造は、側面、ボトムアップ、或いは異なるアーティキュレーション（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）から投影され、且つ、スライスごとに、多光子又は代替的なレーザー励起源を使用して２Ｄ投影及び印刷され得る。ＣＡＤ画像の源（Ｆ）は、コンピュータ（Ｅ）からシステムに向けられ得る。システムは、Ｚ投影の工程レート（ミリ秒〜秒）及び工程サイズに一致し得る、モーター駆動ステージ（Ｉ）を含み得る。工程サイズは、ミクロン〜ナノメートルほどであり得る。図４Ｃにおいて、１、２、及び３は、平面の投影構築工程の例を例示する。
図４４は、三次元印刷システムの実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。図４４に示される光学コンポーネント及び光学経路は、時間的収束を使用しない三次元印刷システムを提供し得る。三次元印刷システムはエネルギー源（１０００）を含み得る。エネルギー源（１０００）はコヒーレント光源であり得る。エネルギー源（１０００）はレーザー光であり得る。エネルギー源（１０００）はフェムト秒パルスレーザー光源であり得る。エネルギー源（１０００）は、第１のレーザー源（１４０ａ）、第２のレーザー源（１４０ｂ）、又は第３のレーザー源（１４０ｃ）であり得る。エネルギー源（１０００）は多光子レーザービーム（１２０）であり得る。エネルギー源（１０００）は二光子レーザービームであり得る。エネルギー源（１０００）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。エネルギー源（１０００）はコンピュータシステム（１１０１）によって調整され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、印刷プロセス前、又はその間に、エネルギー源（１０００）のエネルギー波長を制御及び／又は設定し得る。それらコンピュータシステム（１１０１）は、エネルギー源（１０００）の波長の設定により異なる励起波長を生成し得る。
エネルギー源（１０００）はパルスされ得る。エネルギー源（１０００）は約５００キロヘルツ（ｋＨｚ）のレートでパルスされ得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１０マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から２０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約４０マイクロジュール（μＪ）から８０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１２０マイクロジュール（μＪ）から１６０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約２００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約２０，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１００，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１，０００，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、例えば少なくとも約３００ｎｍ〜約５ｍｍ以上の波長を持つエネルギービーム（例えば光線）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約６００〜約１５００ｎｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約３５０ｎｍ〜約１８００ｎｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１８００ｎｍ〜約５ｍｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１１００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約１９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約２０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約３０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約４０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１０００）（例えばレーザー）は、約５０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
図４４に示されるように、エネルギー源（１０００）は、シャッター（１００４）を介してレーザービーム（１００２）を投影し得る。一旦、レーザービーム（１００２）がシャッター（１００４）を出ると、レーザービーム（１００２）は回転する１／２波長板（１００６）を介して配向され得る。回転する１／２波長板は、大半が光線の偏光状態を操作するために使用され得る複屈折の特定量を持つ透明なプレートであり得る。回転する１／２波長板は、共にレーザービーム（１００２）の方向に垂直である、遅い軸及び速い軸（即ち、２つの偏光方向）を有し得る。回転する１／２波長板（１００６）は、２つの直線偏光方向間の位相後退における差異がπとなるように、レーザービーム（１００２）の偏光状態を変えることができる。位相後退の差異は、λ／２の距離以上の伝播位相シフトに相当し得る。他のタイプの波長板は本明細書に開示されるシステムで利用され；例えば、回転する４分の１波長板が使用されてもよい。回転する１／２波長板（１００６）は、真ゼロオーダー波長板、低位波長板、又は多オーダー波長板でもよい。回転する１／２波長板（１００６）は、結晶性のクオーツ（ＳｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、雲母、又は複屈折ポリマーで構成され得る。
レーザービーム（１００２）は、回転する１／２波長板（１００６）を出て、偏光ビームスプリッタ（１００８）を介して配向され得る。偏光ビームスプリッタ（１００８）は、レーザービーム（１００２）を第１のレーザービーム（１００２ａ）及び第２のレーザービーム（１００２ｂ）へと分割しうる。第１のレーザービーム（１００２ａ）はビームダンプ（１０１０）に向けられ得る。ビームダンプ（１０１０）は、レーザービームの迷走部分を吸収するために使用され得る光学素子である。ビームダンプ（１０１０）は第１のレーザービーム（１００２ａ）を吸収し得る。第１のレーザービーム（１００２ａ）は迷走したレーザービームであり得る。ビームダンプ（１０１０）は第２のレーザービーム（１００２ｂ）を吸収し得る。第２のレーザービーム（１００２ｂ）は迷走したレーザービームであり得る。レーザービーム（１００２）は、ビームダンプ（１０１０）へと丸ごと向けられ、それ故、印刷システムのデフォルト「オフ」状態として機能し得る。第２のレーザービーム（１００２ｂ）はビームエクスパンダ（１０１２）に向けられ得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、レーザービーム（１００２ｂ）のサイズを拡大することができる。ビームエクスパンダ（１０１２）は、入力第２のレーザービーム（１００２ｂ）の直径を、出力拡大レーザービーム（１０５４）の更に大きな直径に増大することができる。ビームエクスパンダ（１０１２）はプリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は伸縮自在なビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は多プリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１０１２）はガリレオ式ビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、約２Ｘ、３Ｘ、５Ｘ、１０Ｘ、２０Ｘ、又は４０Ｘのビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１０１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。拡大レーザービーム（１０５４）はビームエクスパンダ（１０１２）を出た際にコリメートされ得る。
ビームエクスパンダ（１０１２）を出た後、拡大レーザービーム（１０５４）は、第１のミラー（１０１４ａ）に向けられ、これは、空間光変調器（ＳＬＭ）（１０１６）に拡大レーザービーム（１０５４）を再度配向し得る。ＳＬＭ（１０１６）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。ＳＬＭ（１０１６）は、特定の画像又は本明細書に開示される方法及びシステムを使用して印刷される特定画像或いは物質の画像の特定部分を投影するために配向され得る。印刷される物質は生体物質であり得る。生体物質は三次元生体物質であり得る。特定画像又は画像の特定部分は、一次元、二次元、及び／又は三次元であり得る。ＳＬＭ（１０１６）は、異なる波長の光において少なくとも１つの画像を同時に投影するために配向され得る。ＳＬＭ（１０１６）は、コンピュータシステム（１１０１）の代わりにミラーを使用することにより印刷される物質の異なる態様を投影するために配向され得る。場合によっては、少なくとも１つのミラーは、印刷される物質の異なる態様又は部分を印刷するために、特定の光路又はレーザービームを再配向するべく、或いはそれらを「オフ」又は「オン」にするべく、使用され得る。
ＳＬＭ（１０１６）を出た後、拡大レーザービーム（１０５４）は、ｆ１レンズ（１０１８）に向けられ得る。ｆ１レンズ（１０１８）は集束レンズであり得る。ｆ１レンズ（１０１８）を出た後、拡大レーザービーム（１０５４）は、遮断要素（１０２０）に向けられ得る。遮断要素（１０２０）は固定され得る。遮断要素（１０２０）は、ゼロオーダースポットからの照射を抑えることができる。ゼロオーダーは、回折されず且つ反射と屈折の法則に従い挙動する拡大レーザービーム（１０５４）からのエネルギーの一部であり得る。遮断要素（１０２０）を出た後、拡大エネルギービーム（１０５４）は、ｆ２レンズ（１０２２）に向けられ得る。ｆ２レンズは集束レンズであり得る。
ｆ２レンズ（１０２２）を出た後、拡大レーザービーム（１０５４）は第２のミラー（１０１４ｂ）上に向けられ、続いて第３のミラー（１０１４ｃ）上に向けられ得る。第３のミラー（１０１４ｃ）は、ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）を介して拡大レーザービーム（１０５４）を再配向し得る。第１のミラー（１０１４ａ）、第２のミラー（１０１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１０１４ｃ）は、反射率を改善するために赤外線（ＩＲ）コーティングを含み得る。第１のミラー（１０１４ａ）、第２のミラー（１０１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１０１４ｃ）は、赤外線（ＩＲ）コーティングを含まない場合もある。ＩＲコーティングの非限定的な例は、保護された金ベースのコーティング、及び保護された銀ベースのコーティングを含む。第１のミラー（１０１４ａ）、第２のミラー（１０１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１０１４ｃ）は、コンピュータシステム（１１０１）で制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、望まれるように拡大レーザービーム（１０５４）を再配向するために、第１のミラー（１０１４ａ）、第２のミラー（１０１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１０１４ｃ）を「オン」又は「オフ」にすることができる。
ダイクロイックミラーはショートパスダイクロイックミラーでもよい。ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）は、拡大レーザービーム（１０５４）を収束物体（１０３２）へと反射し得る。幾つかの例において、ビームコンバイナーが、ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）を使用する代わりに拡大レーザービーム（１０５４）を収束物体（１０３２）へと再配向するために使用され得る。ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）は、収束物体（１０３２）へと拡大レーザービーム（１０５４）を再配向するためにコンピュータシステム（１１０１）により制御され得る。収束物体（１０３２）は、印刷チャンバ（１０３４）へと投影されると拡大レーザービーム（１０５４）を集中し得る。印刷チャンバ（１０３４）は媒体チャンバ（１２２）であり得る。印刷チャンバ（１０３４）は、細胞含有媒体、複数の細胞、細胞構成成分（例えば細胞小器官）、及び／又は少なくとも１つのポリマー前駆体を含み得る。
発行ダイオード（ＬＥＤ）コリメーター（１０４０）は、コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）の源として使用され得る。ＬＥＤコリメーター（１０４０）は、コリメータレンズ及びＬＥＤエミッタを含み得る。ＬＥＤは、無機ＬＥＤ、高輝度ＬＥＤ、量子ドットＬＥＤ、又は有機ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、単色ＬＥＤ、二色ＬＥＤ、又は三色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、青色ＬＥＤ、紫外線ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、赤外線ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、オレンジ色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、スミレ色ＬＥＤ、ピンク色ＬＥＤ、又は紫色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤコリメーター（１０４０）は、ｆ４レンズ（１０３８）を介してコリメートしたＬＥＤ光（１０５６）のビームを投影し得る。ｆ４レンズ（１０３８）は集束レンズであり得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）がｆ４レンズ（１０３８）を介して伝えられると、コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）は光収束物体（１０３６）向けられ得る。光収束物体（１０３６）は、印刷チャンバ（１０３４）へとコリメートしたＬＥＤ光（１０５６）を収束することができる。光収束物体（１０３６）は、サンプル媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１０５６）を収束することができる。光収束物体（１０３６）は、細胞含有媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１０５６）を収束することができる。コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）は、印刷チャンバ（１０３４）を通って収束物体（１０３２）へと伝えられ得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）が収束物体（１０３２）を出ると、コリメートしたＬＥＤ光（１０５６）はロングパスダイクロイックミラー（１０２４）上へと向けられ得る。ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）から反射されるコリメートしたＬＥＤ光（１０５６）は、サンプル放出物（１０２６）であり得る。ロングパスダイクロイックミラー（１０２４）は、ｆ３レンズ（１０２８）へとサンプル放出物（１０２６）を再配向し得る。ｆ３レンズ（１０２８）は集束レンズであり得る。一旦、サンプル放出物（１０２６）がｆ３レンズ（１０２８）を通って送られると、検出システム（１０３０）は画像化のためにサンプル放出物（１０２６）を検出する及び／又は集める。検出システム（１０３０）は少なくとも１つの光電子増倍管（ＰＭＴ）を含み得る。検出システム（１０３０）は少なくとも１つのカメラを含み得る。カメラは、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、科学的ＣＭＯＳカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、又は電子増倍型電荷結合素子（ＥＭ−ＣＣＤ）であり得る。検出システム（１０３０）は少なくとも１つのアレイベースの検出器を含み得る。
図４５は、三次元印刷システムのまた別の実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。図４５に示される光学コンポーネント及び光学経路は、時間的収束を使用しない三次元印刷システムを提供し得る。三次元印刷システムはエネルギー源（１１００）を含み得る。エネルギー源（１１００）はコヒーレント光源であり得る。エネルギー源（１１００）はレーザー光であり得る。エネルギー源（１１００）はフェムト秒パルスレーザー光源であり得る。エネルギー源（１１００）は、第１のレーザー源（１４０ａ）、第２のレーザー源（１４０ｂ）、又は第３のレーザー源（１４０ｃ）であり得る。エネルギー源（１１００）は多光子レーザービーム（１２０）であり得る。エネルギー源（１１００）は二光子レーザービームであり得る。エネルギー源（１１００）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。エネルギー源（１１００）はコンピュータシステム（１１０１）によって調整され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、印刷プロセス前、又はその間に、エネルギー源（１１００）のエネルギー波長を制御及び／又は設定し得る。それらコンピュータシステム（１１０１）は、エネルギー源（１１００）の波長の設定により異なる励起波長を生成し得る１１００。
エネルギー源（１１００）はパルスされ得る。エネルギー源（１１００）は約５００キロヘルツ（ｋＨｚ）のレートでパルスされ得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１０マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から２０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約４０マイクロジュール（μＪ）から８０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１２０マイクロジュール（μＪ）から１６０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約２００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約２００００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約１０００００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、パルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、約３００ｎｍ〜５ｍｍ、６００ｎｍ〜１５００ｎｍ、３５０ｎｍ〜１８００ｎｍ、又は１８００ｎｍ〜５ｍｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１１００）（例えばレーザー）は、少なくとも約３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ、１．３ｍｍ、１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、又はそれ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
図４５に示されるように、エネルギー源（１１００）は、シャッター（１１０４）を介してレーザービーム（１１０２）を投影し得る。一旦、レーザービーム（１１０２）がシャッター（１１０４）を出ると、レーザービーム（１１０２）は回転する１／２波長板（１１０６）を介して配向され得る。回転する１／２波長板（１１０６）は、２つの直線偏光方向間の位相後退における差異がπとなるように、レーザービーム（１１０２）の偏光状態を変えることができる。位相後退の差異は、λ／２の距離以上の伝播位相シフトに相当し得る。他のタイプの波長板は本明細書に開示されるシステムで利用され；例えば、回転する４分の１波長板が使用されてもよい。回転する１／２波長板（１１０６）は、真ゼロオーダー波長板、低位波長板、又は多オーダー波長板でもよい。回転する１／２波長板（１１０６）は、結晶性のクオーツ（ＳｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、雲母、又は複屈折ポリマーで構成され得る。
レーザービーム（１１０２）は、回転する１／２波長板（１１０６）を出て、偏光ビームスプリッタ（１１０８）を介して配向され得る。偏光ビームスプリッタ（１１０８）は、レーザービーム（１１０２）を第１のレーザービーム（１１０２ａ）及び第２のレーザービーム（１１０２ｂ）へと分割し得る。第１のレーザービーム（１１０２ａ）はビームダンプ（１１１０）に向けられ得る。ビームダンプ（１１１０）は、レーザービームの迷走部分を吸収するために使用され得る光学素子である。ビームダンプ（１１１０）は第１のレーザービーム（１１０２ａ）を吸収し得る。第１のレーザービーム（１１０２ａ）は迷走したレーザービームであり得る。ビームダンプ（１１１０）は第２のレーザービーム（１１０２ｂ）を吸収し得る。第２のレーザービーム（１１０２ｂ）は迷走したレーザービームであり得る。レーザービーム（１１０２）は、ビームダンプ（１１１０）へと丸ごと向けられ、それ故、印刷システムのデフォルト「オフ」状態として機能し得る。第２のレーザービーム（１１０２ｂ）はビームエクスパンダ（１１１２）に向けられ得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、第２のレーザービーム（１１０２ｂ）のサイズを拡大することができる。ビームエクスパンダ（１１１２）は、入力の第２のレーザービーム（１１０２ｂ）の直径を、出力拡大レーザービーム（１１５４）の更に大きな直径に増大することができる。ビームエクスパンダ（１１１２）はプリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は伸縮自在なビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は多プリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１１１２）はガリレオ式ビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、約２Ｘ、３Ｘ、５Ｘ、１０Ｘ、２０Ｘ、又は４０Ｘのビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１１１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。拡大レーザービーム（１１５４）はビームエクスパンダ（１１１２）を出た際に視準を合わせられ得る。
ビームエクスパンダ（１１１２）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、第１のミラー（１１１４ａ）に向けられ、これは、第１の空間光変調器（ＳＬＭ）（１１１６ａ）に拡大レーザービーム（１１５４）を再度配向し得る。第１のＳＬＭ（１１１６）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、ｆ１レンズ（１１１８）に向けられ得る。ｆ１レンズ（１１１８）は集束レンズであり得る。ｆ１レンズ（１１１８）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、回折格子（１１４２）に向けられ得る。回折格子（１１４２）は回折レーザービームスプリッタであり得る。回折格子（１１４２）はホログラフィック回折格子であり得る。回折格子（１１４２）は規定された回折格子であり得る。回折格子（１１４２）はサブ波長回折格子であり得る。回折格子（１１４２）は、拡大レーザービーム（１１５４）を複数の拡大レーザービームへと分割及び／又は回折し得る（図４５に示さず）。回折格子（１１４２）は分散素子として作用し得る。一旦、拡大レーザービーム（１１５４）が回折格子（１１４２）によって分割され、回折され、及び／又は分散されると、拡大レーザービーム（１１５４）はｆ２レンズ（１１２２）を介して伝えられ得る。ｆ２レンズ（１１２２）は集束レンズであり得る。ｆ２レンズ（１１２２）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、第２のＳＬＭ（１１１６ｂ）に向けられ得る。ＳＬＭ（即ち、第１のＳＬＭ（１１１６ａ）及び第２のＳＬＭ（１１１６ｂ））は、コンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。ＳＭＬは、上述のような、図４４に示されたＳＬＭ（１０１６）の機能を全て実行し得る。
第２のＳＬＭ（１１１６ｂ）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、ｆ３レンズ（１１２８）に向けられ得る。ｆ３レンズ（１１２８）は集束レンズであり得る。ｆ３レンズを出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は、遮断要素（１１２０）に向けられ得る。遮断要素（１１２０）は固定され得る。遮断要素（１１２０）は、ゼロオーダースポットからの照射を抑えるために使用され得る。遮断要素（１１２０）を出た後、拡大エネルギービーム（１１５４）は、ｆ４レンズ（１１３８）に向けられ得る。ｆ４レンズ（１１３８）は集束レンズであり得る。ｆ４レンズ（１１３８）を出た後、拡大レーザービーム（１１５４）は第２のミラー（１１１４ｂ）上に向けられ、続いて第３のミラー（１１１４ｃ）上に向けられ得る。第３のミラー（１１１４ｃ）は、ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）を介して拡大レーザービーム（１１５４）を再配向し得る。第１のミラー（１１１４ａ）、第２のミラー（１１１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１１１４ｃ）は、コンピュータシステム（１１０１）で制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、望まれるように拡大レーザービーム（１１５４）を再配向するために、第１のミラー（１１１４ａ）、第２のミラー（１１１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１１１４ｃ）を「オン」又は「オフ」にすることができる。ダイクロイックミラーはショートパスダイクロイックミラーでもよい。ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）は、拡大レーザービーム（１１５４）を収束物体（１１３２）へと反射し得る。幾つかの例において、ビームコンバイナーが、ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）を使用する代わりに拡大レーザービーム（１１５４）を収束物体（１１３２）へと再配向するために使用され得る。ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）は、収束物体（１１３２）へと拡大レーザービーム（１１５４）を再配向するためにコンピュータシステム（１１０１）により制御され得る。収束物体（１１３２）は、印刷チャンバ（１１３４）へと投影されると拡大レーザービーム（１１５４）を集中し得る。印刷チャンバ（１１３４）は媒体チャンバ（１２２）であり得る。印刷チャンバ（１１３４）は、細胞含有媒体、複数の細胞、細胞構成成分（例えば細胞小器官）、及び／又は少なくとも１つのポリマー前駆体を含み得る。
印刷チャンバ（１１３４）は移動可能ステージ（１１４６）に取り付けられ得る。移動可能ステージ（１１４６）は、ｘｙステージ、ｚステージ、及び／又はｘｙｚステージであり得る。移動可能ステージ（１１４６）は手動で位置決めされ得る。移動可能ステージ（１１４６）は自動的に位置決めされ得る。移動可能ステージ（１１４６）はモーター駆動ステージであり得る。移動可能ステージ（１１４６）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、ｘ、ｙ、及び／又はｚ方向での移動可能ステージ（１１４６）の動きを制御し得る。コンピュータシステム（１１０１）は、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１１４６）を自動的に位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約３μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１１４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約２μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１１４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約１μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１１４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、三次元印刷の前、又はその間に、移動可能ステージ（１１４６）の位置を自動的に調整し得る。コンピュータシステム（１１０１）は、コンピュータ制御のＺ軸（即ち、垂直方向）の位置決め、及び動的な位置フィードバックを提供するために、圧電気（ピエゾ）制御装置を含み得る。コンピュータシステム（１１０１）は、ユーザーが移動可能ステージ（１１４６）の位置を制御することを可能とするために、ジョイスティックコンソールを含み得る。ジョイスティックコンソールは、ｚ軸コンソール及び／又はＸ軸及びＹ軸コンソールであり得る。移動可能ステージ（１１４６）は印刷チャンバホルダーを含み得る。印刷チャンバホルダーは、ブラケット、クリップ、及び／又は凹型サンプルホルダーであり得る。移動可能ステージ（１１４６）は、多スライドホルダー、スライドホルダー、及び／又は、ペトリ皿ホルダーを含み得る。移動可能ステージ（１１４６）は、位置フィードバックを提供するためのセンサを含み得る。センサは容量センサであり得る。センサはピエゾ抵抗センサであり得る。移動可能ステージ（１１４６）は、移動可能ステージ（１１４６）を移動させる（又は位置決めする）、少なくとも１つのアクチュエーター（例えば圧電アクチュエーター）を含み得る。
発行ダイオード（ＬＥＤ）コリメーター（１１４０）は、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）の源として使用され得る。ＬＥＤコリメーター（１１４０）は、コリメータレンズ及びＬＥＤエミッタを含み得る。ＬＥＤは、無機ＬＥＤ、高輝度ＬＥＤ、量子ドットＬＥＤ、又は有機ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、単色ＬＥＤ、二色ＬＥＤ、又は三色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、青色ＬＥＤ、紫外線ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、赤外線ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、オレンジ色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、スミレ色ＬＥＤ、ピンク色ＬＥＤ、又は紫色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤコリメーター（１１４０）は、ｆ６レンズ（１１４８）を介してコリメートしたＬＥＤ光（１１５６）のビームを投影し得る。ｆ６レンズ（１１４８）は集束レンズであり得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）がｆ６レンズ（１１４８）を介して伝えられると、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）は光収束物体（１１３６）に向けられ得る。光収束物体（１０３６）は、印刷チャンバ（１１３４）へとコリメートしたＬＥＤ光（１１５６）を収束することができる。光収束物体（１１３６）は、サンプル媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１１５６）を収束することができる。光収束物体（１１３６）は、細胞含有媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１１５６）を収束することができる。コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）は、印刷チャンバ（１１３４）を通って収束物体（１１３２）へと伝えられ得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）が収束物体（１１３２）を出ると、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）はロングパスダイクロイックミラー（１１２４）上へと向けられ得る。ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）から反射されるコリメートしたＬＥＤ光（１１５６）は、サンプル放出物（１１２６）であり得る。ロングパスダイクロイックミラー（１１２４）は、ｆ５レンズ（１１４４）へとサンプル放出物（１１２６）を再配向し得る。ｆ５レンズ（１１４４）は集束レンズであり得る。一旦、サンプル放出物（１１２６）がｆ５レンズ（１１４４）を通って送られると、検出システム（１１３０）は画像化のためにサンプル放出物（１１２６）を検出する及び／又は集める。検出システムシステム（１１３０）は少なくとも１つの光電子増倍管（ＰＭＴ）を含み得る。検出システムシステム（１１３０）は少なくとも１つのカメラを含み得る。カメラは、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、科学的ＣＭＯＳカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、又は電子増倍型電荷結合素子（ＥＭ−ＣＣＤ）であり得る。検出システムシステム（１１３０）は少なくとも１つのアレイベースの検出器を含み得る。
図４６は、三次元印刷システムの追加の実施形態の光学コンポーネント及び光学経路を例示する。図４６に示される光学コンポーネント及び光学経路は、時間的収束を使用しない三次元印刷システムを提供し得る。三次元印刷システムはエネルギー源（１２００）を含み得る。エネルギー源（１２００）はコヒーレント光源であり得る。エネルギー源（１２００）はレーザー光であり得る。エネルギー源（１２００）はフェムト秒パルスレーザー光源であり得る。エネルギー源（１２００）は、第１のレーザー源（１４０ａ）、第２のレーザー源（１４０ｂ）、又は第３のレーザー源（１４０ｃ）であり得る。エネルギー源（１２００）は多光子レーザービーム（１２０）であり得る。エネルギー源（１２００）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。エネルギー源（１２００）はコンピュータシステム（１１０１）によって調整され得る。
コンピュータシステム（１１０１）は、印刷プロセス前、又はその間に、エネルギー源（１２００）のエネルギー波長を制御及び／又は設定し得る。それらコンピュータシステム（１１０１）は、エネルギー源（１２００）の波長の設定により異なる励起波長を生成し得る。
エネルギー源（１２００）はパルスされ得る。エネルギー源（１２００）は約５００キロヘルツ（ｋＨｚ）のレートでパルスされ得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００，０００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１，０００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１０マイクロジュール（μＪ）から１００μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から２０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１マイクロジュール（μＪ）から５０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約４０マイクロジュール（μＪ）から８０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１２０マイクロジュール（μＪ）から１６０μＪ以上のパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１１０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１２０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１３０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１４０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１５０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１６０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１７０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１８０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１９０μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約２００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約２００００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１０００００μＪのパルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、パルスエネルギー（１つのパケット当たり）を伴うエネルギーパケットを持つ、エネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、例えば少なくとも約３００ｎｍ〜約５ｍｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約６００〜約１５００ｎｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約３５０ｎｍ〜約１８００ｎｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、少なくとも約１８００ｎｍ〜約５ｍｍ以上の波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約１９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約２０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約３０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約４０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギー源（１２００）（例えばレーザー）は、約５０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
図４６に示されるように、エネルギー源（１２００）は、シャッター（１１０４）を介してレーザービーム（１２０２）を投影し得る。一旦、レーザービーム（１２０２）がシャッター（１２０４）を出ると、レーザービーム（１２０２）は回転する１／２波長板（１２０６）を介して配向され得る。回転する１／２波長板（１２０６）は、２つの直線偏光方向間の位相後退における差異がπとなるように、レーザービーム（１２０２）の偏光状態を変えることができる。位相後退の差異は、λ／２の距離以上の伝播位相シフトに相当し得る。他のタイプの波長板は本明細書に開示されるシステムで利用され；例えば、回転する４分の１波長板が使用されてもよい。回転する１／２波長板（１２０６）は、真ゼロオーダー波長板、低位波長板、又は多オーダー波長板でもよい。回転する１／２波長板（１２０６）は、結晶性のクオーツ（ＳｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、雲母、又は複屈折ポリマーで構成され得る。
レーザービーム（１２０２）は、回転する１／２波長板（１２０６）を出て、偏光ビームスプリッタ（１２０８）を介して配向され得る。偏光ビームスプリッタ（１２０８）は、レーザービーム（１２０２）を第１のレーザービーム（１２０２ａ）及び第２のレーザービーム（１２０２ｂ）へと分割し得る。第１のレーザービーム（１２０２ａ）はビームダンプ（１２１０）に向けられ得る。ビームダンプ（１２１０）は、レーザービームの迷走部分を吸収するために使用され得る光学素子である。ビームダンプ（１２１０）は第１のレーザービーム（１２０２ａ）を吸収し得る。第１のレーザービーム（１２０２ａ）は迷走したレーザービームであり得る。ビームダンプ（１２１０）は第２のレーザービーム（１２０２ｂ）を吸収し得る。第２のレーザービーム（１２０２ｂ）は迷走したレーザービームであり得る。レーザービーム（１２０２）は、ビームダンプ（１２１０）へと丸ごと向けられ、それ故、印刷システムのデフォルト「オフ」状態として機能し得る。第２のレーザービーム（１２０２ｂ）はビームエクスパンダ（１２１２）に向けられ得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、第２のレーザービーム（１２０２ｂ）のサイズを拡大することができる。ビームエクスパンダ（１２１２）は、入力の第２のレーザービーム（１２０２ｂ）の直径を、出力拡大レーザービーム（１２５４）の更に大きな直径に増大することができる。ビームエクスパンダ（１２１２）はプリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は伸縮自在なビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は多プリズムビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１２１２）はガリレオ式ビームエクスパンダであり得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、約２Ｘ、３Ｘ、５Ｘ、１０Ｘ、２０Ｘ、又は４０Ｘのビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、約２Ｘ〜約５Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘに及ぶビームエクスパンダ能力を提供し得る。ビームエクスパンダ（１２１２）は、約５Ｘ〜約１０Ｘの連続ビーム拡大を提供し得る。拡大レーザービーム（１２５４）はビームエクスパンダ（１２１２）を出た際に視準を合わせられ得る。
ビームエクスパンダ（１２１２）を出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、第１のミラー（１２１４ａ）に向けられ、これは、第１の空間光変調器（ＳＬＭ）（１２１６ａ）に拡大レーザービーム（１２５４）を再度配向し得る。第１のＳＬＭ（１２１６）を出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、ｆ１レンズ（１２１８）に向けられ得る。ｆ１レンズ（１２１８）は集束レンズであり得る。ｆ１レンズを出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、遮断要素（１２５０）に向けられ得る。遮断要素（１２５０）を備えたミラーは、ゼロオーダースポットからの照射を抑えるために使用され得る。
一旦、拡大レーザービーム（１２５４）が遮断要素（１２５０）を備えたミラーによって反射されると、拡大レーザービーム（１２５４）はｆ２レンズ（１２２２）を通って伝達され得る。ｆ２レンズ（１２２２）は集束レンズであり得る。ｆ２レンズ（１２２２）を出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、第２のＳＬＭ（１２１６ｂ）に向けられ得る。ＳＬＭ（即ち、第１のＳＬＭ（１２１６ａ）及び第２のＳＬＭ（１２１６ｂ））は、コンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。図４４及び４５それぞれに示されるように、ＳＭＬは、上述のようなＳＬＭ（１０１６）の機能を全て実行し得る。
第２のＳＬＭ（１２１６ｂ）を出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、ｆ３レンズ（１２２８）に向けられ得る。ｆ３レンズを出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は、遮断要素（１２２０）に向けられ得る。遮断要素（１２２０）は固定され得る。遮断要素（１２２０）は、ゼロオーダースポットからの照射を抑えるために使用され得る。遮断要素（１２２０）を出た後、拡大エネルギービーム（１２５４）は、ｆ４レンズ（１２３８）に向けられ得る。ｆ４レンズ（１２３８）は集束レンズであり得る。ｆ４レンズ（１２３８）を出た後、拡大レーザービーム（１２５４）は第２のミラー（１２１４ｂ）上に向けられ、続いて第３のミラー（１２１４ｃ）上に向けられ得る。第３のミラー（１２１４ｃ）は、ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）を介して拡大レーザービーム（１２５４）を再配向し得る。第１のミラー（１２１４ａ）、第２のミラー（１２１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１２１４ｃ）は、コンピュータシステム（１１０１）で制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、望まれるように拡大レーザービーム（１２５４）を再配向するために、第１のミラー（１２１４ａ）、第２のミラー（１２１４ｂ）、及び／又は第３のミラー（１２１４ｃ）を「オン」又は「オフ」にすることができる。ダイクロイックミラーはショートパスダイクロイックミラーでもよい。ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）は、拡大レーザービーム（１２５４）を収束物体（１２３２）へと反射し得る。幾つかの例において、ビームコンバイナーが、ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）を使用する代わりに拡大レーザービーム（１２５４））を収束物体（１２３２）へと再配向するために使用され得る。ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）は、収束物体（１２３２）へと拡大レーザービーム（１２５４）を再配向するためにコンピュータシステム（１１０１）により制御され得る。収束物体（１２３２）は、印刷チャンバ（１２３４）へと投影されると拡大レーザービーム（１２５４）を集中し得る。印刷チャンバ（１２３４）は媒体チャンバ（１２２）であり得る。印刷チャンバ（１２３４）は、細胞含有媒体、複数の細胞、細胞構成成分（例えば細胞小器官）、及び／又は少なくとも１つのポリマー前駆体を含み得る。
印刷チャンバ（１１３４）は移動可能ステージ（１２４６）に取り付けられ得る。移動可能ステージ（１２４６）は、ｘｙステージ、ｚステージ、及び／又はｘｙｚステージであり得る。移動可能ステージ（１２４６）は手動で位置決めされ得る。移動可能ステージ（１２４６）は自動的に位置決めされ得る。移動可能ステージ（１２４６）はモーター駆動ステージであり得る。移動可能ステージ（１２４６）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、ｘ、ｙ、及び／又はｚ方向での移動可能ステージ（１２４６）の動きを制御し得る。コンピュータシステム（１１０１）は、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１２４６）を自動的に位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約３μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１２４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約２μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１２４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、最大約１μｍの位置精度で、所望のｘ、ｙ、及び／又はｚ位置で移動可能ステージ（１２４６）を位置決めし得る。コンピュータシステム（１１０１）は、三次元印刷の前、又はその間に、移動可能ステージ（１２４６）の位置を自動的に調整し得る。コンピュータシステム（１１０１）は、コンピュータ制御のｚ軸（即ち、垂直方向）の位置決め、及び動的な位置フィードバックを提供するために、圧電気（ピエゾ制御装置を含み得る。コンピュータシステム（１１０１）は、ユーザーが移動可能ステージ（１２４６）の位置を制御することを可能とするために、ジョイスティックコンソールを含み得る。ジョイスティックコンソールは、ｚ軸コンソール及び／又はＸ軸及びＹ軸コンソールであり得る。移動可能ステージ（１２４６）は印刷チャンバホルダーを含み得る。印刷チャンバホルダーは、ブラケット、クリップ、及び／又は凹型サンプルホルダーであり得る。移動可能ステージ（１２４６）は、多スライドホルダー、スライドホルダー、及び／又は、ペトリ皿ホルダーを含み得る。移動可能ステージ（１２４６）は、位置フィードバックを提供するためのセンサを含み得る。センサは容量センサであり得る。センサはピエゾ抵抗センサであり得る。移動可能ステージ（１２４６）は、移動可能ステージ（１２４６）を移動させる（又は位置決めする）、少なくとも１つのアクチュエーター（例えば圧電アクチュエーター）を含み得る。
発行ダイオード（ＬＥＤ）コリメーター（１２４０）は、コリメートしたＬＥＤ光（１２５６）の源として使用され得る。ＬＥＤコリメーター（１２４０）は、コリメータレンズ及びＬＥＤエミッタを含み得る。ＬＥＤは、無機ＬＥＤ、高輝度ＬＥＤ、量子ドットＬＥＤ、又は有機ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、単色ＬＥＤ、二色ＬＥＤ、又は三色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤは、青色ＬＥＤ、紫外線ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、赤外線ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、オレンジ色ＬＥＤ、黄色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、スミレ色ＬＥＤ、ピンク色ＬＥＤ、又は紫色ＬＥＤであり得る。ＬＥＤコリメーター（１２４０）は、ｆ６レンズ（１２４８）を介してコリメートしたＬＥＤ光（１２５６）のビームを投影し得る。ｆ６レンズ（１２４８）は集束レンズであり得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１２５６）がｆ６レンズ（１２４８）を介して伝えられると、コリメートしたＬＥＤ光（１１５６）は光収束物体（１２３６）に向けられ得る。光収束物体（１２３６）は、印刷チャンバ（１２３４）へとコリメートしたＬＥＤ光（１２５６）を収束することができる。光収束物体（１２３６）は、サンプル媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１２５６）を収束することができる。光収束物体（１２３６）は、細胞含有媒体におけるコリメートしたＬＥＤ光（１２５６）を収束することができる。コリメートしたＬＥＤ光（１２５６）は、印刷チャンバ（１２３４）を通って収束物体（１２３２）へと伝えられ得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１２５６）が収束物体（１２３２）を出ると、コリメートしたＬＥＤ光（１２５６）はロングパスダイクロイックミラー（１２２４）上へと向けられ得る。ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）から反射されるコリメートしたＬＥＤ光（１２５６）は、サンプル放出物（１２２６）であり得る。ロングパスダイクロイックミラー（１２２４）は、ｆ５レンズ（１２４４）へとサンプル放出物（１２２６）を再配向し得る。ｆ５レンズは集束レンズであり得る。一旦、サンプル放出物（１２２６）がｆ５レンズ（１２４４）を通って送られると、検出システム（１２３０）は画像化のためにサンプル放出物（１２２６）を検出する及び／又は集める。検出システムシステム（１２３０）は少なくとも１つの光電子増倍管（ＰＭＴ）を含み得る。検出システムシステム（１２３０）は少なくとも１つのカメラを含み得る。カメラは、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、科学的ＣＭＯＳカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、又は電子増倍型電荷結合素子（ＥＭ−ＣＣＤ）であり得る。検出システムシステム（１２３０）は少なくとも１つのアレイベースの検出器を含み得る。
図４７は光検出システム（１３３０）を例示する。光検出システム（１３３０）は、連続して配置された複数のロングパスダイクロイックミラーを含み得る。光検出システム（１３３０）は、平行に配置された複数のロングパスダイクロイックミラーを含み得る。光検出システム（１３３０）は、連続して且つ平行に配置された複数のロングパスダイクロイックミラーを含み得る。図４４−４６で示されるように、光学経路は、収束物体上にコリメートしたＬＥＤ光（１３５６）のビームを投影するＬＥＤコリメーターを含み得る。一旦、コリメートしたＬＥＤ光（１３５６）が第１のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ａ）から反射されると、コリメートしたＬＥＤ光（１３５６）はサンプル放出物（１３２６）に変換され得る。サンプル放出物（１３２６）はｆ５レンズ（１３４４）を介して配向され得る。ｆ５レンズ（１３４４）は集束レンズであり得る。サンプル放出物（１３２６）がｆ５レンズ（１３４４）を出た後、サンプル放出物（１３２６）は、図４７に示されるように、第２のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｂ）、第３のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｃ）、第４のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｄ）、及び第５のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｅ）を含む、一連のロングパスダイクロイックミラーに向けられ得る。サンプル放出物（１３２６）は、第２のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｂ）から、第１の光検出器（１３５２ａ）上へと反射され得る。サンプル放出物（１３２６）は、第３のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｃ）から、第２の光検出器（１３５２ｂ）上へと反射され得る。サンプル放出物（１３２６）は、第４のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｄ）から、第３の光検出器（１３５２ｃ）上へと反射され得る。サンプル放出物（１３２６）は、第５のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｅ）から、第４の光検出器（１３５２ｄ）上へと反射され得る。サンプル放出物（１３２６）は、第５のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｅ）から、第５の光検出器（１３５２ｅ）上へと反射され得る。光検出器は光電子増倍管（ＰＭＴ）であり得る。光検出器はカメラであり得る。光検出器は、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラ、科学的ＣＭＯＳカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ、又は電子増倍型電荷結合素子（ＥＭ−ＣＣＤ）であり得る。光検出器はアレイベースの検出器であり得る。光検出システム（１３３０）は、次第に赤色に推移したカットオフ波長を持つ複数のロングパスダイクロイックミラーを含み得る。幾つかの例において、第２のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｂ）には約４６０ｎｍのカットオフ波長があり、第３のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｃ）には約５００ｎｍのカットオフ波長があり、第４のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｄ）には約５４０ｎｍのカットオフ波長があり、第５のロングパスダイクロイックミラー（１３２４ｅ）には約５７０ｎｍのカットオフ波長があり得る。
光検出システム（１３３０）はコンピュータシステム（１１０１）によって制御され得る。コンピュータシステム（１１０１）は、第１の光検出器（１３５２ａ）、第２の光検出器（１３５２ｂ）、第３の光検出器（１３５２ｃ）、及び第４の光検出器（１３５２ｄ）によって得られた信号を集め及び／又は処理することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、コンピュータシステム（１１０１）によって集められ及び／又は処理され得る、光検出システム（１３３０）の光検出器信号に基づいて三次元印刷システムに制御フィードバックを提供することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、図４４−４６に記載される光学経路の光学コンポーネント及び／又はハードウェアにわたり制御フィードバックを備え得る。コンピュータシステム（１１０１）は、図４７に示される光検出システム（１３３０）の光学コンポーネント及び／又はハードウェアにわたり制御フィードバックを備え得る。コンピュータシステム（１１０１）は、光検出システム（１３３０）からの信号に応じて、例えば、ＳＬＭ、シャッタ、移動可能ステージ、ミラー、レンズ、収束物体、ビームエクスパンダ、ＬＥＤコリメーター、回折格子、及び／又は遮断要素を制御することができる。
図５Ａは、多光子組織印刷ヘッド（１１８）の実施形態を例示する。多光子印刷ヘッド（１１８）は、レーザーシステム（１１６）から多光子レーザービーム（１２０）（１つ以上の波長を含む）を受けることができ、且つ、随意のスキャンヘッド、後方散乱光の収集及び記録用のロングパスミラー、及び収束物体（２００）から成るフィニッシングオプティックス（ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ）で構成される最終の光学経路を介してビーム（１２０）を収束することができ、ビーム（１２０）を媒体チャンバ（１２２）に投影する。光は、印刷に使用されるような同じ物体により集められ、その後、ロングパスミラーを介して、単一又は一揃いのＰＭＴ或いはＣＣＤカメラに移される。
幾つかの設計において、オプティックスは、光が組織印刷管に堆積する場所のより容易な制御のために光ファイバーケーブルを介してレーザーを送ることができる。
本明細書に開示されるシステムは、例えば倍率が徐々に小さくなる、収束物体の範囲を例えば活用することができ；視野は徐々に大きくなり得る。場合によっては、視野は、単一の投射野において、顕微鏡が可能な印刷領域であり得る。場合によっては、５ｘ、１０ｘ、又は２０ｘの物体が利用され得る。場合によっては、少なくとも約０．６〜約１．２以上に及ぶ高い開口数を持つ物体が利用され得る。本明細書に開示されるシステムは、例えば約１ｘ〜約１００ｘに及ぶ倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約１ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約２ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約３ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約４ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約１０ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約２０ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約４０ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約６０ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。本明細書に開示されるシステムは、約１００ｘの倍率を有する対物レンズを使用し得る。
印刷された組織の構造的な忠実度を維持するために、水浸対物レンズが、細胞含有液体バイオゲル媒体（１２６）内で入射角に実質的に一致するのに理想的であり得る。印刷が大気とは大幅に異なる屈折率を持つ液体培地で生じると、屈折率変化を補正した水浸対物レンズが使用され得る。
図５Ｂは、第１の対物レンズ（２００ａ）及び第２の対物レンズ（２００ｂ）を含む印刷ヘッド（１１８）を例示する。図５Ｂは、構造を画像化するための反転したオプティックスを例示する。本実施形態において、光は、反転したオプティックスによって集められ、多色画像を生成するために、図５Ｂに示されるように、ＣＣＤカメラ、単一のＰＭＴ、或いは一揃いのＰＭＴに導かれる。幾つかの実施形態において、第２の対物ヘッドは反転され、画像は、一連のロングパス又はバンドパスミラーでＰＭＴにより読み取られた組織及び入射光の下側から集められ得る。
多光子ベースのプリンタを印刷モードから画像化モードへ切り替えるために、ｘ、ｙラスタースキャンが行われ、ＤＭＤ又はＳＬＭの経路は回避され、装置はオフ又は不活性の位置で与えられ、或いは、ｘ、ｙスキャンオプティックスに当たるレーザーラインが１つだけ存在するようにそれらを光路から取り除く。ＤＭＤ又はＳＬＭの経路は、場合によっては画像化に使用され得る。
画像化モードへの切り替えは、印刷プロセス中に様々な用途を備え得る：１）画像化は、二光子励起が構造にわたってスキャンされるときのプロセスである第２の高調波発生を介してコラーゲンが自然に放射を生成したときの、コラーゲン生成率をモニタリングするために使用され得る、２）印刷された組織の縁は、投影空間の縁に沿って血管及び他の組織構造の適切な結合を促進する画像化モードを使用して見出すことができる、３）印刷した組織構造は、リアルタイムで投影した画像に対する構造的一体性及び忠実度について検証され得る、及び４）一時的に標識された細胞が使用される場合、それらは検証又はモニタリングのプロセスのために印刷された組織内に位置し得る。上記実施形態のレーザーシステム（１１６）は、以下を含むがこれらに限定されないソフトウェア制御の様々な点を備え得ることが認識できる：ＣＡＤ画像は、ＳＬＭ及び／又はＤＭＤデバイスに接続される変化をプログラムすることにより投影され得る；ＴＡＧレンズがＢｅｓｓｅｌビームを作成するために使用される場合、ＴＡＧレンズの調整可能な音響勾配（ＴＡＧ）を引き起こすために生成された電流は、コンピュータソフトウェアの制御下にある；単一ビームの形でレーザー励起を配向する、且つ複数レーザー設計用のオン／オフスイッチとして作用し得るミラーは、コンピュータソフトウェアによって制御され得る；減衰ホイール及び異なる周波数への調整を介したレーザー光量は、ソフトウェア入力によって制御され得る；顕微鏡ステージ動作はソフトウェア制御下にある；顕微鏡対物レンズ又は関連する光ファイバーの動作はソフトウェア制御下にある；動作又はオン／オフ状態による縁の発見、照射、及び反転物体の制御は、ソフトウェア制御下にある；画像化又は光路の制御（ミラー、シャッタ、スキャンオプティックス、ＳＬＭ、ＤＭＤなど）も、ソフトウェア制御下にある。
急速な印刷を適合させるために、物体（２００）は光ファイバーケーブルを搭載してもよい。図６Ａは、着脱自在の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０）の実施形態を例示する。本実施形態において、アクセサリ（２５０）は、光ファイバーケーブル（２５２）、及び、多光子組織印刷の印刷ヘッド（６Ａ−６Ｂに示されない）に取り付け可能な取り付け器具（図６Ａ−６Ｂに示されない）を含み得る。その後、光ファイバーケーブル（２５２）は、図６Ｂに例示されるように、媒体チャンバ（１２２）の媒体（１２６）内に位置決めされ得る。故に、多光子レーザービーム（１２０）は、物体（２００）及び光ファイバーケーブル（２５２）を通過して、レーザーエネルギーを媒体（１２６）に送達して、所望の複合組織構造（２６０）を作成する。印刷プロセス中に顕微鏡物体、又は微細な組織構造を含む印刷管を動かさないために、光ファイバーケーブル自体が、組織のより大きな領域を印刷する必要がある場合に動かされ得る。場合によっては、アクセサリ（２５０）は、媒体（１２６）への直接挿入が無菌性を損なわない、或いは印刷した細胞を交差汚染しないように、滅菌する又は置き換えることができる。
光ファイバーケーブルへのパワー入力に依存して、多光子レーザーは、光ファイバーケーブルのコアへの回復不能な損傷を誘導することが可能な場合がある。故に、場合によっては、群遅延分散（ＧＤＤ）により誘導される波長チャーピングが、レーザーパルスを延ばすために光子を効果的に分散させることにより、この潜在的な損傷を最小化するために提供され得る。これは、印刷媒体における細胞への損傷を最小化する又は光ファイバーケーブルの寿命を延ばすために使用され得る。そのような場合、ＧＤＤデバイスは、ＳＬＭ又はＤＭＤの後、及び印刷ヘッドオプティックス（１１８）への進入の前に、レーザーシステム（１１６）に設けられ得る。
場合によっては、所望の組織の三次元印刷は、単一の物体（２００）、又は光ファイバーアクセサリ（２５０）が付属する物体（２００）により実行することができ、ここで、１〜３つの異なる構成は、各々別個のレーザーラインに関連付けられ且つ組織の別個の形状又は部分を表すものであり、同じ物体（２００）を通じてパルスされ得る。この場合、時間調整したシャッターシステムが、突出される画像間の干渉が最小又はゼロとなるように設置され得る。故に、レーザー多重化が、多数の点で組織構造の部分の生成を同時に可能にしつつ、組織構造の同じＣＡＤモデルを利用するために、利用され得る。同様に、レーザー多重化は、異なるが隣接するＣＡＤベースの組織モデルを利用し、より大きな構造印刷に必要な動作を最小化しつつ、全体的な印刷時間を更に減らすことができる。例えば、血管床には、正常な循環での静脈の逆流を妨げる、より大きな血管における弁などの内部構造があり得る。これら弁構造は血管壁と同時に印刷され得る。そのような場合、弁構造及び／又は血管壁に関連付けられるスキャフォールドは、個々に印刷するのが困難な場合がある。
瞬間的に形成された三次元構造は、１回の印刷中に印刷空間の至る所で反復され得る。生物系において、小単位は多くの場合、構造全体にわたって反復され得る。それ故、１回の印刷における同じ構造の反復された生成は、機能性組織を生成するのに有用であり得る。同じ細胞印刷物質からの追加の、非反復的で、細かな特別の構造及び続く構造は、印刷された第１の構造と並んで又はそれに連結して作成され得る。
幾つかの実施形態において、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）は、図７−８に例示されるように、第１のレーザー物体（２００ａ）、第２のレーザー物体（２００ｂ）、及び第３のレーザー物体（２００ｃ）を介して多光子励起の多数の印刷「ヘッド」又はソースを含み得る。図７は、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）が、第１のレーザー物体（２００ａ）、第２のレーザー物体（２００ｂ）、及び第３のレーザー物体（２００ｃ）を含み、第１のレーザー物体（２００ａ）が第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）を含み、第２のレーザー物体（２００ｂ）が第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）を含み、第３のレーザー物体（２００ｃ）が第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）を含み得る、実施形態を例示する。第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、及び第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）は、単一の媒体チャンバ（１２２）へ向けられ得る。媒体チャンバ（１２２）は、各光ファイバーケーブルアクセサリによって（即ち、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、及び第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）を介して）アクセスされるポートを持つ開放上部又は密閉上部を有し得る。この配置は、大きく急速な組織印刷の速度を上げつつ、最終の組織構造にわたって制御を維持することができる。場合によっては、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、及び第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）は、同じ組織構造の投影を送達することができる。その他の場合、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、及び第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）はそれぞれ、異なる組織構造の第１のレーザービーム投影（１２０ａ）、第２のレーザービーム投影（１２０ｂ）、及び第３のレーザービーム投影（１２０ｃ）をそれぞれ送達することができる。複数のレーザー物体の柔軟な配置、及び媒体チャンバ（１２２）内の同じ領域へ光ファイバーケーブルを配向する能力により、組織構造は同時に印刷され得る。結果として生じる組織構造は一体的に結合される、又は結合されない場合がある。与えられた組織構造の印刷時間は、動作制約に関する幾つかの考慮、及び追加の励起元各々に対する考慮と共に、レーザー送達要素の数との反比例関係を有し得る。
図８は、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）が、第１の物体（２００ａ）、第２の物体（２００ｂ）、第３の物体（２００ｃ）、第４の物体（２００ｄ）、第５の物体（２００ｅ）及び第６の物体（２００ｆ）を含み、各物体が、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）、第４の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｄ）、第５の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｅ）、及び第６の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｆ）をそれぞれ含み、これらはそれぞれ、別個の第１の媒体チャンバ（１２２ａ）、第２の媒体チャンバ（１２２ｂ）、第３の媒体チャンバ（１２２ｃ）、第４の媒体チャンバ（１２２ｄ）、第５の媒体チャンバ（１２２ｅ）、及び第６の媒体チャンバ（１２２ｆ）に向けられる、実施形態を例示する。複数の媒体チャンバはマルチウェルプレートでもよく、マルチウェルプレートの各ウェルは別個の個々の媒体チャンバである。場合によっては、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）、第４の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｄ）、第５の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｅ）、及び第６の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｆ）は、同じ組織構造の少なくとも１つの投影を送達することができる。これは、組織構造の多数の複製を同時に提供する。その他の場合、第１の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ａ）、第２の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｂ）、第３の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｃ）、第４の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｄ）、第５の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｅ）、及び第６の光ファイバーケーブルアクセサリ（２５０ｆ）は、異なる組織構造の第１の多光子レーザービーム投影（１２０ａ）、第２の多光子レーザービーム投影（１２０ｂ）、及び第３の多光子レーザービーム投影（１２０ｃ）を送達することができる。場合によっては、印刷時間は、多数の複製を同時に生成する能力のため、大幅に減少され得る。
幾つかの実施形態において、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）は、図９に例示されるように、第１の物体（２００ａ）、第２の物体（２００ｂ）、及び第３の物体（２００ｃ）を含む物体の連続配列を含み得る。本実施形態において、各物体は別個の媒体チャンバと位置合わせされ得る。例えば、第１の物体（２００ａ）は第１の媒体チャンバ（１２２ａ）と位置合わせされ、第２の物体（２００ｂ）は第２の媒体チャンバ（１２２ｂ）と位置合わせされ、第３の物体（２００ｃ）は第３の媒体チャンバ（１２２ｃ）と位置合わせされ得る。幾つかの例において、多数の媒体チャンバは、マルチウェルプレート（３００）のウェルであり得る。幾つかの実施形態において、第１の物体（２００ａ）、第２の物体（２００ｂ）、及び第３の物体（２００ｃ）は、同じ組織構造の投影を送達することができる。その他の場合、レーザービーム投影は１つのウェルごとに相違し得る。第１の物体（２００ａ）、第２の物体（２００ｂ）（図１０に示されない）、及び第３の物体（２００ｃ）（図１０に示されない）は、レーザービーム投影を各ウェルに送達するために、図１０に例示されるように、ｘ及びｙの方向でマルチウェルプレート（３００）上を動くようにプログラムされ得る。代替的に、物体が静止したままである一方、マルチウェルプレート（３００）がｘ及びｙの方向に動くことが、認識できる。故に、例えば、３つの物体を持つ連続配列は、２工程：同時に３つの組織構造、及び次いで同時に３つ以上の組織構造で、６ウェルプレートに組織を印刷することができる。少なくとも約９６ウェル〜約３９４ウェル以上を含むがこれらに限定されない、任意数のウェルを持つプレートが使用され得ることが、認識できる。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも第１の媒体チャンバ（１２２ａ）を含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも１ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも４ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも６ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも８ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも１２ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも１６ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも２４ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも４８ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも９６ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも３８４ウェルを含み得る。マルチウェルプレート（３００）は少なくとも１５３６ウェルを含み得る。
本明細書に記載される実施形態において、より大きな空間を印刷するために、顕微鏡ステージは移動することができ、顕微鏡ヘッドは移動することができ、及び／又は、印刷物体に取り付けられた関連する光ファイバーケーブルは移動することができることが、認識できる。
３Ｄ印刷方法
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法を提供する。ｘ、ｙ及びｚ次元は、本明細書で提供される方法によって同時にアクセスされ得る。生体物質は生物学的に機能性の組織であり得る。生体物質は生物学的に機能性の組織へと発達し得る。生体物質は、壊死を妨げる助けとなる十分な濃度の栄養素及び酸素の送達及び／又は拡散を提供し得る、完全に形成された、印刷された脈管構造、微小血管系、多孔性ネットワーク、管のネットワーク、及び／又は孔構造を含み得る。生体物質は、間質液恒常性、免疫系の調節、循環系の調節、炎症の調節、及び脂質吸収を含むがこれらに限定されない生物学的機能を可能にし得る、印刷されたリンパ性ネットワーク、リンパ性脈管構造、及び／又は、リンパ性の微小血管系を含み得る。生体物質は、複製しようと試みる天然組織と同様の構造及び／又は構成で配置された細胞を含み；故に、天然組織の生物学的機能と同様の生物学的機能を可能にし得る。限定されないが毛細管などの微細な血管、組織の単一細胞層、及び骨、軟骨、及び／又は腱の力学的性質を持つ硬組織及び／又は軟組織などの、超微細な組織構造の印刷が、作成され得る。
前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルを受信する工程を含み得る。コンピュータモデルはコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデルでもよい。ＣＡＤモデルは、３Ｄワイヤーフレーム、パラメトリックモデル及び直接的又は明示的なモデルなどの３Ｄソリッドモデル、及び／又は自由形式サーフェースモデルであり得る。ＣＡＤモデルは、物理的な原型が、３Ｄスキャナ、コンピュータトモグラフィー（ＣＴ）スキャニング装置、構造化した光３Ｄスキャナ、調節された光３Ｄスキャナ、レーザースキャナ、顕微鏡、又は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイスなどのデバイスを使用してスキャンされ及び／又は画像化された後、コンピュータによって生成され得る。場合によっては、原型画像又はスキャンは、原型画像又はスキャンをサーフェースモデル、メッシュモデル、又は体積モデルへと変換するアルゴリズムの使用により、ＣＡＤモデルに変換される。前記方法は、３Ｄ生体物質の部分的な３Ｄ構造及び／又は完全な３Ｄ構造を含むコンピュータモデルを受け取る工程を含み得る。
次に、前記方法は、複数の細胞及び１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含む媒体チャンバを提供する工程を含み得る。媒体は、細胞構成要素（例えば細胞小器官）を含み得る。媒体は、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を更に含み得る。複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含み得る。前記方法は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を形成するために複数の細胞の少なくとも部分集合の少なくとも一部を分化にさらす工程を更に含み得る。複数の細胞の少なくとも部分集合は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含み得る。複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含み得る。
媒体チャンバは、マルチウェルプレート、チャンバスライド、組織培養スライド、容器、フラスコ、バイオリアクターチャンバ、管、細胞培養バッグなどのバッグ、ペトリ皿、ローラーボトル、又はカスタム製造のウェルであり得る。媒体チャンバは、ポリスチレン、ガラス、クオーツ、ポリプロピレン、シクロオレフィン、又はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で構成され得る。媒体チャンバは表面処理され得る。表面処理の非限定的な例は、血漿表面処理、細胞接着を促進するためのカルボキシル基、ヒドロキシル基、遊離アミノ基、及び／又はポリ−Ｄ−リジンでのコーティング、及び／又は、細胞接着を阻害するための親水性で且つ中性的に荷電されたヒドロゲル層でのコーティングを含む。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約３０Ｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５Ｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１Ｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約０．５Ｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約２５０ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１００ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５０ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約２５ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１０ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１ｍｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５００μｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１００μｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５０μｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約２５μｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約１０μｌに及ぶ体積を含み得る。媒体チャンバは、例えば少なくとも約１μｌ〜約５μｌに及ぶ体積を含み得る。
媒体チャンバは約１μｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１０μｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１００μｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１０００μｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約２０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約３０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約４０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約６０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約７０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約８０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約９０ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約２００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約３００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約４００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約６００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約７００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約８００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約９００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１０００ｍｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約２Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約３Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約４Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約６Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約７Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約８Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約９Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約２０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約３０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約４０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約５０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約６０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約７０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約８０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約９０Ｌの体積を含み得る。媒体チャンバは約１００Ｌ以上の体積を含み得る。
媒体は、複数の細胞、１つ以上のポリマー前駆体、細胞構成要素（例えば細胞小器官）、及び／又は細胞培養培地を含み得る。ポリマー前駆体は少なくとも２つの異なるポリマー前駆体を含み得る。ポリマー前駆体は重合化可能な物質でもよい。ポリマー前駆体はコラーゲンを含み得る。媒体におけるコラーゲン型の非限定的な例は、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、Ｖ、及びＸ型のコラーゲンなどの原繊維性コラーゲン、ＩＸ、ＸＩＩ、及びＸＩＶ型のコラーゲンなどの断続性三重らせんを有する線維付随性コラーゲン（ＦＡＣＩＴ）コラーゲン、ＶＩＩＩ及びＸ型のコラーゲンなどの短鎖コラーゲン、ＩＶ型コラーゲンなどの基底膜コラーゲン、ＶＩ型コラーゲン、ＶＩＩ型コラーゲン、ＸＩＩＩ型コラーゲン、又はそれらの任意の組み合わせを含む。ポリマー前駆体は、限定されないが、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸、及びケラタン硫酸などのプロテオグリカン、ヒアルロン酸、及びエラスチンなどの非プロテオグリカン多糖、フィブロネクチン、ラミニン、ニドゲン、又はそれらの任意の組み合わせを含む、細胞外マトリックス構成成分を含み得る。幾つかの例において、ポリマー前駆体は、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、アルギン酸塩、ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコール、ポリ酸化プロピレン、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、キトサン、フィブリン、フィブリノゲン、ポリ乳酸−ポリグリコール酸（ＰＬＧＡ）コポリマー、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ（フマル酸プロピレン）（ＰＰＦ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリ（β−アミノエステル）、ゼラチン、デキストラン、コンドロイチン硫酸、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。細胞培養培地の非限定的な例は、ダルベッコ改変イーグル培地（ＤＭＥＭ）、血清遊離細胞培養培地、ＲＰＭＩ １６４０培地、最小必須培地（ＭＥＭ）、イスコフ改変ダルベッコ培地（ＩＭＤＭ）、及びＯｐｔｉ−ＭＥＭ（商標）Ｉ Ｒｅｄｕｃｅｄ血清培地を含む。
培地は複数のビーズを更に含み得る。場合によっては、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると、複数のビーズを含み得る。３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると、複数の小球体及び／又は粒子を含み得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、約１ナノメートル〜約２００マイクロメートルに及ぶサイズであり得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は化学的に不活性であり得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は中空であり得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は固形であり得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、コア及びシェルを含み得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、ポリマー性、磁気性、多孔性、金属性、蛍光性、染色性、ヒドロゲル、脂質、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、ラテックス、少なくとも１つのタイプの細胞外マトリックスタンパク質、細胞、薬物、生体高分子、脂質、生体適合性ポリマー、小分子又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。生体高分子の非限定的な例は、フィブリン、フィブリノゲン、キトサン、セルロース、デキストラン、キチン、ゼラチン、コラーゲン、グリコゲン、デンプン、及びリグニンを含む。生体適合性ポリマーの非限定的な例は、コラーゲン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、ポリ乳酸、アルギン酸塩、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリ酸化プロピレン、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、キトサン、フィブリン、ポリ乳−ｃｏ−グリコール酸（ＰＬＧＡ）コポリマー、又はそれらの任意の組み合わせを含む。
ビーズはシグナル分子又はタンパク質を更に含む。シグナル分子又はタンパク質は、臓器機能を可能にするために３Ｄ生体物質の形成を促進し得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、タンパク質、核酸、及び／又は染料により官能化され得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子はストレプトアビジンで官能化され得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子の表面は、少なくとも１つのシグナル分子、抗体などのタンパク質、ＤＮＡ及び／又はＲＮＡ分子などの核酸、ポリマー、小分子、及び／又は染料でコーティングされ得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は、例えば、細胞、薬物、シグナル分子、タンパク質、核酸、小分子、染料、及び／又は、生体高分子などのポリマーなどの、ペイロード（ｐａｙｌｏａｄ）を封入し得る。生物分解性のビーズ、小球体、及び／又は粒子はペイロードの制御放出を備え得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は中空であり得る。生物分解性のビーズ、小球体、及び／又は粒子は、制御された及び／又はカスタマイズ可能な分解率を有し得る。ビーズ、小球体、及び／又は粒子は非生物分解性であり得る。シグナル分子、タンパク質、核酸、及び／又は、ビーズ、小球体、及び／又は粒子に含まれる他のあらゆる物質は、臓器機能を可能にするために３Ｄ生体物質の形成を促進し得る。アゴニスト、アンタゴニスト、増殖、及び／又は細胞分化活性を持つ、抗体などのシグナル分子、小分子、及びタンパク質の非限定的な例は、形質転換増殖因子−β（ＴＧＦ−β）、血管内皮増殖因子（ＶＥＧＦ）、ＦＧＦ−１及びＦＧＦ−２などの繊維芽細胞成長因子（ＦＧＦ）、血小板由来増殖因子（ＰＤＧＦ）、アンジオポエチン−１（Ａｎｇ１）、Ａｎｇ２、マトリックスメタロプロテイナーゼ（ＭＭＰ）、δ様リガンド４（Ｄｌｌ４）、クラス３のセマフォリン、マクロファージコロニー刺激因子（Ｍ−ＣＳＦ）、顆粒球マクロファージコロニー刺激因子（Ｍ−ＣＳＦ）、骨形態形成蛋白質４（ＢＭＰ４）、形質転換増殖因子（ＴＧＦ）、アクチビンＡ、レチン酸（ＲＡ）、上皮成長因子（ＥＧＦ）、チアゾビビンを含む。
次に、前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って３Ｄ投影へとパターン化される少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。３Ｄ生体物質の部分は、複数の細胞の少なくとも部分集合、及び１つ以上のポリマー前駆体から形成されたポリマーを含み得る。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するための微小血管系を含み得る。微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。微小血管系は、約１マイクロメートル（μｍ）〜約２０μｍの断面を有し得る。３Ｄ生体物質は、約１００μｍ〜約５センチメートル（ｃｍ）の厚み又は直径を有し得る。
前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく、ポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、３Ｄ生体物質のコンピューターモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。前記方法は、３Ｄ生体物質の部分的な３Ｄ構造及び／又は完全な３Ｄ構造のコンピュータモデルに従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。
前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を更に含み得る。前記方法は、媒体チャンバにおける媒体の多数の部分が３Ｄ生体物質の少なくとも一部を同時に形成することを可能にするために、コンピュータ命令に従って、少なくとも２つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも２つのエネルギービームを向ける工程を更に含み得る。少なくとも２つのエネルギービームは同一波長であり得る。少なくとも２つのエネルギービームは異なる波長であり得る。
幾つかの実施形態において、コンピュータ命令は、３Ｄ生体物質に相当する画像のセットを含み得る。コンピュータ命令は、少なくとも３Ｄ生体物質の形成中に時間に応じて少なくとも１つのエネルギービームの１つ以上のパラメータ、及び／又は３Ｄ生体物質が形成されるステージの位置の調節を指示し得る。
３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けることにより形成された３Ｄ生体物質に結合され得る。３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に１つのエネルギービームを向けることにより形成された３Ｄ生体物質に結合され得る。３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けることにより形成された３Ｄ生体物質に結合されない場合がある。３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に１つのエネルギービームを向けることにより形成された３Ｄ生体物質に結合されない場合がある。
エネルギービームは多光子レーザービーム（１２０）であり得る。少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含み得る。少なくとも１つのエネルギービームは、レーザーにより生成され得る。少なくとも１つのエネルギービームは位相変調され得る。エネルギービームは、偏光され、及び／又は他のビームと再度組み合わせられ得る。代替手段として、エネルギービームは非コヒーレント光でもよい。少なくとも１つのエネルギービームは多光子エネルギービームでもよい。多光子エネルギービームは二光子エネルギービームであり得る。エネルギービーム源（例えばレーザー）は、例えば約３００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、例えば約３５０ｎｍ〜約１８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、例えば約１８００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１４００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１６００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約１９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約２０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約３０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約４０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。エネルギービーム（例えばレーザー）は、約５０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
次に、前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程を含み得る。前記方法は、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける前にそのような表現を生成することができる。前記方法は、コンピュータ命令を生成するためにポイントクラウド表現又はラインベース表現を使用することができる。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含み得る。ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、二次元の構造要素を含み得る。ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、三次元の構造要素を含み得る。ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、二次元及び三次元両方の要素を含み得る。構造要素は、組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる場合がある。構造要素は、血管、リンパ管、脈管構造、微小血管系、筋肉、靱帯、腱、骨基質、軟骨基質、結合組織マトリックス、細胞外マトリックス、神経網、スキャフォールド、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。構造要素は、膠原線維、細網繊維、弾性繊維、神経繊維、ポリマー繊維、チャネル、マイクロチャネル、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。
ポイントクラウド表現は、物体（即ち、原型）の外部表面を表わすｘ、ｙ、及びｚ面×ｘ、ｙ、ｚ座標によって定められたデータポイントのセットである。ポイントクラウド表現は、ＣＡＤファイルを生成する３Ｄモデリングプログラム、又はあらゆる線画セットによっても生成され得る。幾つかの例（例えば、プラスチック又は金属部品の印刷）において、３Ｄスキャナが物体の３Ｄモデルを生成するために使用され得る。３Ｄスキャン技術の非限定的な例は、レーザー三角測量３Ｄスキャン、構造化した光３Ｄスキャン、写真測量法、接触に基づく３Ｄスキャン、及びレーザーパルス又は飛行時間の３Ｄスキャンを含む。レーザー三角測量３Ｄスキャン技術は、物体の表面上にレーザービームを投影する工程、及びセンサを介してレーザー光線の変形を測定する工程を含む。レーザー光線及び三角測量の変形に基づいて、レーザー三角測量システムは特定の偏差角を算出する。算出された偏差角は、物体からスキャナまでの距離に直接リンクされる。レーザー三角測量３Ｄスキャナが十分な距離を集めると、物体の表面をマッピングして３Ｄスキャンを作成することができる。構造化した光３Ｄスキャン技術は、物体の表面の３Ｄスキャンを生成するために物体の表面上の光パターンの変形を測定する。構造化した光３Ｄスキャンは、三角測量も使用するが、レーザービームの投影の代わりに一連の線形パターンの投影に依存する。構造化した光３Ｄスキャンシステムはその後、パターンにおける各線の縁を検査し、スキャナから物体の表面までの距離を算出することができる。写真術から３Ｄスキャンとも呼ばれる写真測量法は、計算幾何学アルゴリズムを使用して、２Ｄ画像で捕捉された物体を３Ｄで再構築する。写真測量法の原理は、異なる観点から得られた静的な物体の様々な写真を分析し、且つ、同じ物理的な点に相当するピクセルを自動的に検出することである。ユーザーから要求されるデータ入力は、焦点距離及びレンズ歪みなどの、カメラのパラメータである。その後、計算幾何学アルゴリズムは、座標間の距離を算出し、物体の３Ｄ画像再構成を出力する。接触に基づく３Ｄスキャン又はデジタル化は、探針の変形によって測定される、物体の表面上の様々な点のサンプリングに依存し得る。接触３Ｄスキャナは、物理的タッチを介して物体を探索し、その間に物体は適所に堅く保持されている。タッチされている探針は、３Ｄ情報を記録するために物体の表面上を移動する。プローブは時折、更なる精度のためにその各構成及び角度を全て集めることができる多関節アームに付けられている。レーザーパルスに基づく３Ｄスキャン、又は飛行時間３Ｄスキャンは、レーザービームの飛行時間に基づき得る。レーザーパルスに基づく３Ｄスキャンにおいて、レーザービームは表面上に投影され、センサによって集められる。放射と受理との間のレーザービームの移動時間は、物体の表面の幾何学的な情報を提供する。
本開示の方法及びシステムは、少なくとも１つ以上のアルゴリズムによって実施することができる。アルゴリズムは、中央処理装置（１１０５）による実行の後にソフトウェアによって実施することができる。アルゴリズムは、例えば、コンピュータモデルに基づいて、ホログラム又はホログラフィック画像を作成することができる。アルゴリズムは部分的なホログラムを作成することができる。光のパルス成形は、後に一、二、及び／又は三次元で画像を再作成するために投影され得る構造要素の二元性のホログラフィック画像を作成するために、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズム又は重み付けＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを適用することにより、１つ以上のＳＬＭにわたって達成され得る。波面成形に有用な他のアルゴリズムは、限定されないが、Ｌｏｈｍａｎｎ、ＬｏｈｍａｎｎのＩＩＩ型、及び混合領域振幅自由（ｍｉｘｅｄ−ｒｅｇｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｆｒｅｅｄｏｍ）（ＭＲＡＦ）アルゴリズムを含む。画像の追加の前処理及び後処理は、異なるタイプの所望の構造印刷、入射光パルスに対する異なる印刷媒体応答、光学システム又は細胞の生存率の任意の制限或いは投影システムの変化を適合するために行われ得る。データ処理におけるこのような変化は、限定されないが、フーリエ変換、ピクセル除去を結果としてもたらす選択的なマスク、及び／又は３Ｄホログラムを生成するために異なる面で同時に印刷するためのホログラムのオーバーレイを含み得る。加えて、これらのプロセスは、ホログラフィックデータの追加のスライシング又は再分布を必要とし得る。
３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのラインベース表現は、ライン、頂点、縁、表面、ドットの収集、或いは、様々なサイズの連結されたドット及び／又は３Ｄ生体物質の形状を画定する面の収集として、定められ得る。この面は、三角形（三角形メッシュ）、四辺形、凸状の多角形、凹状の多角形、及び／又は穴を持つ多角形を含み得る。コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのラインベース表現の非限定的な例は、３Ｄ線画法、２Ｄ線画法、多角形メッシュ、及び自由形式サーフェースモデルを含み得る。多角形メッシュは、３Ｄコンピュータモデリングで物体の形状を画定する、頂点、縁、及び面の収集である。自由形式サーフェースモデルは、３Ｄ物体の表面を記載する。自由形式サーフェースモデルは、後に表面の形状を画定する極又は制御点を介した表面の操作を通じて、及びそれによって３Ｄ表面がスイープされる曲線の構築によって、作成され得る。
３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現の生成後、前記方法は、ポイントクラウド表現又はラインベース表現を画像に変換する工程を更に含む。画像はホログラム又はホログラフィック画像であり得る。画像は部分的なホログラムであり得る。画像はホログラフィック様式で投影され得る。画像は部分的なホログラムとして投影され得る。画像はホログラフィック様式での投影前に分解され且つ再構成され得る。
前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するために、１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む複数の細胞と１つ以上のポリマー前駆体とを含む媒体を含むまた他の媒体チャンバを提供する工程を更に含む。３Ｄ生体物質の他の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に結合され得る。３Ｄ生体物質の他の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に化学的に架橋され得る。３Ｄ生体物質の他の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に機械連結され得る。機械的なカップリングの非限定的な例は、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクを含む。３Ｄ生体物質の他の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に凝集的に結合され得る。３Ｄ生体物質の他の部分は、３Ｄホログラフィック印刷を使用して構造の印刷及び動的な堆積を介して第１の３Ｄ生体物質、細胞、細胞によって堆積された細胞外マトリックス、及び／又は他の非生物学的な手法によって形成された既存の構造に結合され得る。３Ｄ生体物質の別の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に重合され得る。３Ｄ生体物質の別の部分は、形成された第１の３Ｄ生体物質に結合されない場合がある。
前記方法は、他の組織との３Ｄ生体物質の直接結合を含み、この結合はコンピューターモデルに従う場合がある。前記方法は、３Ｄ印刷物を既に印刷された構造と直接結合するか、統合するか、接着するか、溶接する工程を含み、この結合はコンピュータモデルに従う。場合によっては、前記方法は３Ｄ生体物質の他の組織との結合を提供することができ、これは、化学的架橋、機械的結合、及び／又は凝集的カップリングを含み得る。
前記方法は、媒体チャンバにおける媒体の多数の部分が３Ｄ生体物質の少なくとも一部を同時に形成することを可能にするために、３Ｄ生体物質のコンピュータモデルに従って、少なくとも２つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に少なくとも２つのエネルギービームを向ける工程を更に含み得る。少なくとも２つのエネルギービームは同一波長であり得る。２つのエネルギービームは異なる波長であり得る。
３Ｄ生体物質の一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するための微小血管系を含み得る。微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。微小血管系は、例えば約１μｍ〜約２０μｍの断面を有し得る。断面は、例えば約１μｍ〜約１０μｍであり得る。３Ｄ生体物質は、例えば約１００μｍ〜約５センチメートル（ｃｍ）の厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約２００μｍ〜約３ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約３００μｍ〜約１ｃｍの厚み又は直径を有し得る。
３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約１０ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約５ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約４ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約３ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約２ｃｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約１ｃｍの厚み又は直径を有し得る。
３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約９ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約８ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約７ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約６ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約５ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約４ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約３ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約２ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約１ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約０．５ｍｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約０．１ｍｍの厚み又は直径を有し得る。
３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約９０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約８０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約７０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約６０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約５０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約４０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約３０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約２０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約１０μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約５μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約４μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約３μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約２μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約１μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約０．７５μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約０．５μｍの厚み又は直径を有し得る。３Ｄ生体物質は、例えば約０．１μｍ〜約０．２５μｍの厚み又は直径を有し得る。
３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約７００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約６００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約５００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約４００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約３５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約３００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約２５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約２００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約１５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約１００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約７２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約４８時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約３６時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約２４時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約１２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約６時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約３時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約１時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、例えば少なくとも約０．０１時間〜約０．５時間の期間で印刷され得る。
３Ｄ生体物質（又は物体）は、最大約３５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約３００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約２５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約２００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約１５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約１００時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約７２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約４８時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約３６時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約２４時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約１２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約６時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約１時間の期間で印刷され得る。
３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、細胞含有スキャフォールドを含み得る。細胞含有スキャフォールドは、複数の細胞の少なくとも部分集合を含み得る。３Ｄ生体物質は、複数の細胞の少なくとも部分集合を含む、細胞含有スキャフォールドを含み得る。幾つかの実施形態において、３Ｄ生体物質は、形成されると、複数の細胞含有スキャフォールドを含み得る。３Ｄ生体物質は細胞含有スキャフォールドを含み得る。複数の細胞含有スキャフォールドは一体となって結合され得る。細胞含有スキャフォールドは、凝集的に又は機械的に結合され得る。細胞含有スキャフォールドは、空、多孔性、及び／又は中空であり得る。細胞含有スキャフォールドは、支持構造、集合管、又は血管要素の完全な要素又は部分として機能し得る。複数の細胞含有スキャフォールドは凝集的に一体となって結合され得る。複数の細胞含有スキャフォールドは機械的に一体となって結合され得る。幾つかの実施形態において、複数の細胞含有スキャフォールドは、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクから成る群から選択された１つ以上の部材を介して機械的に一体となって結合され得る。
細胞含有スキャフォールドはネットワークを含み得る。ネットワークは複数の鎖を含み得る。複数の鎖はメッシュ構造を形成し得る。複数の鎖は格子構造を形成し得る。複数の鎖はシート構造を形成し得る。複数の鎖はチューブ構造を形成し得る。複数の鎖は孔ネットワークを形成し得る。複数の鎖は円柱状構造を形成し得る。複数の鎖は長方形構造を形成し得る。複数の鎖は正方形構造を形成し得る。複数の鎖は断層又は階層構造を形成し得る。複数の鎖は格子構造を形成し得る。複数の鎖は多孔構造を形成し得る。複数の鎖は網状構造を形成し得る。複数の鎖は相互連結構造を形成し得る。複数の鎖はチャネル状構造（ｃｈａｎｎｅｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成し得る。複数の鎖は六角形構造を形成し得る。複数の鎖はケージ状構造を形成し得る。複数の鎖は球体を形成し得る。複数の鎖は多角形を形成し得る。
複数の鎖の個々の鎖は、約０．１ナノメートル（ｎｍ）〜約５ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１０ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約５ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約４ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約３ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約２ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１ｃｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約０．５ｃｍの厚みを有し得る。
複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１０００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約９００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約８００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約７００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約６００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約５００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約４００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約３００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約２００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約５０μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約２５μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１０μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１μｍの厚みを有し得る。
複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約９００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約８００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約７００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約６００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約５００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約４００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約２００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約２５ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約１ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約０．５ｎｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約０．２５ｎｍの厚みを有し得る。
複数の鎖は、例えば約０．１ｎｍ〜約８００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約０．１μｍ〜約１μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約１μｍ〜約１００μｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約１ミリメートル（ｍｍ）〜約１００ｍｍの厚みを有し得る。複数の鎖は、例えば約１ｃｍ〜約５ｃｍの厚みを有し得る。
前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも一部の中に形成され得る、３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を含み得る。
前記方法は、媒体チャンバにおける媒体に少なくとも１つのエネルギービームを最初に向けた後、最初に形成される３Ｄ生体物質の部分内に３Ｄ生体物質の他の部分を形成する工程を含み得る。前記方法は、以前に印刷された３Ｄ物体の内部で３Ｄ物体を印刷する工程を含み得る。前記方法は、以前に印刷された３Ｄ物体の内部で３Ｄ生体物質を印刷する工程を含み得る。以前に印刷された構造は、ポリマー材料、金属、金属合金、複合材料、又はそれらの任意の組み合わせから形成され得る３Ｄ物体であり得る。３Ｄ物体は、場合によっては生体物質（例えば１つ以上の細胞又は細胞構成成分）を含む、高分子材料から形成され得る。以前に印刷された３Ｄ物体の内部で３Ｄ物体を印刷する工程は、ｘ、ｙ、及びｚ面において正確な精密印刷及びエネルギービーム励起によって可能であり得る。
前記方法は、近赤外線スペクトルでの波長を持つ少なくとも１つのエネルギービームの使用により、以前に印刷された３Ｄ構造の内部で３Ｄ物体を印刷する工程を含み得る。近赤外線波長は組織及び構造に浸透することができる。前記方法は、３Ｄ物体に対応する３Ｄ投影により３Ｄ投影が以前に印刷された３Ｄ物体に浸透するのを可能にすると、近赤外線スペクトルでの波長を持つ少なくとも１つのエネルギービームを媒体に向ける工程を含み得る。前記方法は、３Ｄ生体物質に対応する投影により３Ｄ投影が以前に印刷された３Ｄ生体物質に浸透するのを可能にすると、近赤外線スペクトルでの波長を持つ少なくとも１つのエネルギービームを媒体に向ける工程を含み得る。３Ｄ投影はホログラムであり得る。３Ｄ投影は部分的なホログラムであり得る。近赤外線スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、最小又はゼロの散乱を有し得る。３Ｄ投影を媒体に向けると、近赤外線スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、組織又は以前に印刷された３Ｄ物体、構造、及び／又は生体物質の内部でホログラムとして合着することができる。
近赤外線スペクトルは、約６５０ナノメートル（ｎｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）まで変動することができる。近赤外線スペクトル内で、近赤外線（ＮＩＲ）ウィンドウ（即ち、光学窓又は治療濃度域）は、光が組織における浸透の最大深度を有する、例えば約６５０〜１３５０ｎｍの波長の範囲を定める。更に、遠赤外線スペクトルは約７１０ｎｍ〜約８５０ｎｍまで変動することができる。本明細書に開示される方法に使用されるエネルギービームは、ＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つＮＩＲエネルギービームであり得る。本明細書に開示される方法に使用されるエネルギービームは、ＮＩＲウィンドウ光スペクトルでの波長を持つＮＩＲエネルギービームであり得る。本明細書に開示される方法に使用されるエネルギービームは、遠赤外線スペクトルでの波長を持つＮＩＲエネルギービームであり得る。
ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約６５０ｎｍ〜約１ｍｍに及ぶ波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約７１０ｎｍ〜約８５０ｎｍ以上に及ぶ波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約６５０ｎｍ〜約１３５０ｎｍ以上に及ぶ波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約６５０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約７００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約７１０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約７５０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約８００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約８５０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約９００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約９５０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約１０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約１２００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約１３００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約１３５０ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約１５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約２０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約２５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約３０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約３５００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約４０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。ＮＩＲエネルギービーム（例えばレーザー）は、約５０００ｎｍの波長を持つエネルギー（例えばレーザービーム）を提供し得る。
ＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現、ラインベース表現、部分的な３Ｄ構造、完全な３Ｄ構造、又は３Ｄ投影（即ち、ホログラム又は部分的なホログラム）に従って、少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体に向けられ得る。幾つかの例において、部分的又は完全な３Ｄ構造は、媒体へと同時に投影される。ＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、媒体チャンバ内の以前に形成された構造に浸透することができる。ＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、媒体チャンバ内の以前に形成された細胞含有スキャフォールドに浸透することができる。ＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、媒体チャンバ内の以前に形成された３Ｄ生体物質に浸透することができる。媒体チャンバにおける媒体に向けられるＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、３Ｄ生体物質の少なくとも以前に形成された部分内の３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するために、ポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすことができる。媒体チャンバにおける媒体に向けられるＮＩＲ光スペクトルでの波長を持つエネルギービームは、３Ｄ物体の少なくとも以前に形成された部分内の３Ｄ物体の少なくとも一部を形成するために、ポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすことができる。本明細書で提供される方法に使用されるエネルギービームの特定のＮＩＲ波長は、３Ｄ生体物質の３Ｄ投影（即ち、ホログラム又は部分的なホログラム）に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って以前に形成された構造に浸透させることによって、以前に形成された構造内の３Ｄ生体物質の印刷を可能とすることができる。
別の態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための追加の方法を提供する。前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルを受信する工程を含み得る。
次に、前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程を含み得る。
次に、前記方法は、第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体を含む、媒体チャンバを提供することができる。第１の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。
次に、前記方法は、３Ｄ生体物質の第１の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第１の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第１の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。
次に、前記方法は、媒体チャンバにおける第２の媒体を提供する工程であって、第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、第２の複数の細胞は第１の複数の細胞とは異なるタイプである、工程を含み得る。第２の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。
次に、前記方法は、３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。
前記方法は、媒体チャンバにおける３Ｄ生体物質の第１の部分を残すために媒体チャンバから第１の媒体の残りを取り除く工程を更に含み得る。幾つかの実施形態において、媒体チャンバに残される３Ｄ生体物質の第１の部分は、媒体チャンバに取り外し可能に固定され得る。
前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程を更に含み得る。前記方法は、コンピュータ命令を生成するためにポイントクラウド表現又はラインベース表現を更に使用し得る。前記方法は、生体構造が一次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含み得る。前記方法は、生体構造が二次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含み得る。前記方法は、生体構造が三次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含み得る。前記方法は、生体構造が一次元、二次元、及び／又は三次元の構造の組み合わせで投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、少なくとも１つの入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含み得る。前記方法における画像又は画像セットはホログラフィック様式で投影され得る。画像又は画像セットは、ホログラフィック様式での投影前に部分要素又は代表的構造へと分解され且つ再構成され得る。幾つかの実施形態において、ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含み得る。ポイントクラウド表現又はラインベース表現は、二次元の構造要素を含み得る。構造要素は、組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる場合がある。ポイントクラウド表現又はラインベース表現は三次元で構造要素を含み、前記構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられ得る。
少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含み得る。少なくとも１つのエネルギービームは、レーザーにより生成され得る。少なくとも１つのエネルギービームは位相変調され得る。少なくとも１つのエネルギービームは、サンプル媒体全体にわたって位相変調され且つラスタースキャンされ得る。３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するための微小血管系を含み得る。培地は複数のビーズを更に含み得る。３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると、複数のビーズを含み得る。３Ｄ生体物質は、最大約３５０時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約７２時間の期間で印刷され得る。３Ｄ生体物質は、最大約１２時間の期間で印刷され得る。前記方法は、３Ｄ生体物質の第１の部分及び／又は第２の部分内に形成され得る３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を含み得る。
数例を挙げると、血管、リンパ性脈管構造、間質細胞ネットワーク、細胞ニッチ、又は細胞の弾性構造を含む厚く複雑な組織層などの、様々な組織構造が、急速な多光子印刷システム（１００）により生成することができる。多くの場合、コンピュータ生成された三次元モデルからの三次元投影は、天然組織の正確な複製を可能にする天然組織構造のスキャン又はマップから作成され得る。そのような組織は、様々な異なる細胞型で構成され、その各々が、特定構造を生成する又は特定機能を提供するように特定様式で組織化し得る。例えば、動脈及び静脈などの血管は、内皮細胞、基底板（細胞外マトリックスの層）、結合組織、及び平滑筋細胞の層で構成され得る。組織含有血管も、血管を取り囲む組織を形成する細胞を含み得る。例えば、肝臓組織は肝細胞も含み得る。肝細胞は、肝臓において同様の機能ユニットへと分類され、同様の外観を持つが、位置に応じて異なる遺伝子を発現することができる。この区画化は、肝臓が異なる位置で肝臓の多面的機能を実行することを可能にし得る。全ての細胞は、タンパク質の酸化、活性酸素種の解毒化、及び胆汁産生に関与しない場合がある。これらのタスクは、肝臓における位置に応じて肝細胞の異なる群に与えられ得る。（総体的に非実質細胞と呼ばれる）肝臓における細胞の静止は、大規模な数の肝細胞間の区画に見出すことができる。故に、肝臓組織の印刷時、血管の形成に関連する細胞型は、これらの細胞の血管への組織化を促進及び支持するように適切に配置され；及び、肝細胞及び非実質細胞は同様に、所望の最終結果組織を形成するために適切に配置され得る。そのような構成は、三次元での一時的な細胞組織化のための組織内のネット及び他の構造の層の印刷により達成され得る。大半の臓器の構造は、複数の細胞型が機能ユニットとして層状にされる及び分類されることを必要とし、ここで一部の細胞は上述のようなこれらユニットの機能を支持し、幾つかは実際の機能要素である。臓器は、全体臓器を含むこれら機能ユニット内の細胞の健康を維持するために導管化され得る。免疫系機能の場合、リンパ節の高度に組織化された構造は、細胞が感染因子に適切に応答する能力を促進し得る。適切に感染症に応答するために、多数の細胞型は、免疫応答を引き起こしている病原体又は薬剤のまわりでの細胞表面接触を介して情報を交換するべく互いに接触状態にあってもよい。これら接触は、細胞シグナル分子の放出によって編成することができ、且つパターン及び接触タイミングを有し得る。細胞が散在する又は組織内の正常領域に存在しない、細胞間相互作用の崩壊又はリンパ組織の分裂は、免疫系が抗体に対して選択されたものに適切に応答する又は高度に発達させることができないことを原因とする、或いはそれに関連付けられ得る。それ故、移植又は薬物開発のためのこのような組織の再構築は、細胞を育て且つ支持する微小血管系の配置だけでなく、感染因子への応答中にリンパ節に必要とされるような組織機能を実行するのに必要なシグナルに相互作用し且つそれを産生するために細胞が組織化され得るような細胞自体の配置から、利益を得ることができる。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）物体を印刷するための方法を提供する。前記方法は、３Ｄ物体を生成するために１つ以上の前駆体を含む媒体へと少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み得る。３Ｄ物体は、１つ以上の前駆体から形成された物質を含み得る。１つ以上の前駆体はポリマー前駆体であり得る。１つ以上の前駆体は１つ以上の金属を含み得る。１つ以上の前駆体はガラス又は砂の前駆体を含み得る。１つ以上の前駆体は粉末であり得る。物質はポリマー材料であり得る。物質は少なくとも１つの金属を含み得る。物質はガラス又は砂（例えば生砂）を含み得る。物質は、ポリマー前駆体、金属前駆体、及び／又はガラス前駆体の混合物を含み得る。例えば、物質は、アルミド（ａｌｕｍｉｄｅ）（即ち、ポリアミドとアルミニウムの混合物）、ポリアミドとガラスの混合物、及び／又はナイロンとガラスの混合物であり得る。ポリマー材料は粉末であり得る。ポリマー材料は製造粉末ベッドに含有され得る。ポリマー材料の非限定的な例は、ナイロン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、及びポリオキソメチレンを含み得る。ナイロン物質は、ガラス充填ナイロン、繊維充填ナイロン、又は永続性のナイロンであり得る。ポリアミドは難燃性のポリアミドであり得る。金属の非限定的な例は、鋼、チタン、金属合金混合物、及びアルミニウムを含み得る。金属合金混合物は、ニッケルクロム及びコバルトクロムの合金を含み得る。
次に、少なくとも１つのエネルギービームは３Ｄ投影として媒体に向けられ得る。３Ｄ投影は３Ｄ物体に相当し得る。３Ｄ投影はホログラムであり得る。３Ｄ投影は部分的なホログラムであり得る。３Ｄ投影はホログラフィック画像であり得る。ホログラム又はホログラフィック画像は、一次元、二次元、及び／又は三次元画像であり得る。前記方法は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ物体のコンピュータモデルを受信する工程を含み得る。コンピュータモデルはコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデルでもよい。ＣＡＤモデルは、３Ｄワイヤーフレーム、パラメトリックモデル及び直接的又は明示的なモデルなどの３Ｄソリッドモデル、及び／又は自由形式サーフェースモデルであり得る。ＣＡＤモデルは、物理的な原型が、３Ｄスキャナ、コンピュータトモグラフィー（ＣＴ）スキャニング装置、構造化した光３Ｄスキャナ、調節された光３Ｄスキャナ、レーザースキャナ、顕微鏡、又は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）デバイスなどのデバイスを使用してスキャンされ及び／又は画像化された後、コンピュータによって生成され得る。場合によっては、原型画像又はスキャンは、原型画像又はスキャンをサーフェースモデル、メッシュモデル、又は体積モデルへと変換するアルゴリズムの使用により、ＣＡＤモデルに変換される。前記方法は、３Ｄ物体の部分的な３Ｄ構造及び／又は完全な３Ｄ構造を含むコンピュータモデルを受け取る工程を含み得る。３Ｄ生体物質の印刷のために使用される、本明細書に開示されるシステムは、３Ｄ物体の印刷のために使用されるシステムと同じであり得る。
媒体は細胞又は細胞構成要素を含み得る。細胞構成要素は、限定されないが、ミトコンドリア、母核、リボソーム、小胞、ゴルジ体、細胞骨格構成成分、滑面小胞体、液胞、及び葉緑体などの細胞小器官；リン脂質；及び細胞膜を含み得る。
一態様において、本開示は、三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法を提供する。前記方法は、第１の媒体を含む媒体チャンバへ少なくとも第１のエネルギービームを向ける工程を含み得る。第１の媒体は、３Ｄ生体物質の第１の部分を生成するために第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含み得る。前記方法は、第２の媒体を含む媒体チャンバへ少なくとも第２のエネルギービームを向ける工程を含み得る。第２の媒体は、３Ｄ生体物質の第２の部分を生成するために第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み得る。３Ｄ生体物質の第２の部分は、３Ｄ生体物質の第１の部分に隣接し得る。
少なくとも第１のエネルギービーム及び少なくとも第２のエネルギービームは、同じエネルギー源に由来し得る。少なくとも第１のエネルギービーム及び少なくとも第２のエネルギービームは、レーザービームであり得る。第１の複数の細胞及び第２の複数の細胞の細胞は、異なるタイプであり得る。第１の複数の細胞及び第２の複数の細胞の細胞は、同じタイプであり得る。第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は異なり得る。第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は同じであり得る。
ネットの作成
ネットは、細胞中に所望のネット構造（５００）を作るようなパターン及び様式で重合化可能な物質を重合することにより、媒体（１２６）内に作成され得る。図１１は、重合化可能な物質から形成されたネット構造（５００）の一例を例示する。この例において、ネット構造（５００）はネット鎖（５０２）から形成される格子形状を有し得る。ネット鎖（５０２）は、例えば少なくとも約０．０００１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの厚みを有し得る。図１２Ａは、厚みがおよそ０．１マイクロメートルである鎖（５０２）で構成されたネット構造（５００）を例示し、図１２Ｂは、厚みが少なくとも約５マイクロメートルである鎖（５０２）で構成されたネット構造（５００）を例示する。異なるサイズの鎖は、異なるメッシュネット構造に関連付けられる弾性、強度、又は圧縮力の差異が生じるように、細胞間の伝達を促進するべく異なるサイズ及び密度のメッシュネットワークを作成し、細胞移動が促進又は妨げられるのを可能にし、或いは組織特性を支持するために使用され得る。図１１に示されるように、場合によっては、ネット構造（５００）は、特定の細胞（５０６）が通過するのを可能にし且つ他の細胞の通過を制限するようにサイズ調整された、開口部（５０４）を有し得る。場合によっては、開口部（５０４）は、例えば少なくとも約３マイクロメートルから約１００マイクロメートルのサイズにおよぶ場合がある。図１１は、全体にわたり少なくとも約４マイクロメートルのサイズ（例えば、約４マイクロメートル〜約１００マイクロメートル）である任意の細胞（５０６）の通路を妨げるようにサイズ調整され及び構成された開口部（５０４）を持つ、ネット構造（５００）を例示する。これは、ネット構造（５００）が生成されると、一時的にネット構造（５００）内の細胞（５０６）を捕捉し得る。ネット構造は、円形、六角形、八角形、又は正方形などの任意の幾何学的形状の様々な開口部（５０４）を有し得ることが、認識できる。
場合によっては、これら細胞のサイズに特異的なネットは、特定のタイプの円形細胞を単離するように設計され得る。細胞の円形化は、環境に対する化学変化又は温度の変化によって引き起こされ、これらの組み合わせが印刷プロセス中に使用され得る。特定の生理学的条件での円形細胞は、移動も徐行もしないが、適所で浮遊され得る。図１３は、ネット構造（５００）内で一時的に捕捉された円形細胞（５０６）を例示する。この例では、媒体（１２６）中に浮遊されると、開口部（５０４）は細胞型の円形直径よりも小さいが、細胞核の推定された直径よりも大きい場合がある。幾つかの例において、開口部（５０４）は、細胞核と同じサイズ、或いはその約１マイクロメートル未満であり得る。これらのサイズは特定の細胞（５０６）の一時的な制限を作成するために選択され得る。細胞は、細胞核よりも大きい開口部を通過できるが、より小さい開口部によって制限され得る。本実施形態において、ネット（５００）は、ネット（５００）によって捕捉されるように細胞（５０６）を円形化する条件下で印刷され得る。一旦、印刷物が生理的条件に戻ると、図１４に例示されるように、細胞（５０６）はこれ以上円形ではなく、開口部（５０４）を通って徐行且つ移動することができる。図１４は、細胞（５０６）が開口部（５０４）を通って移動し、生理学的条件下で結合して細胞間接触、再整理、及び自然増殖を可能にしつつ、総体の構造的な構成及び支持を維持するように、互いに近く配置された第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）を示す。共に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）によって作成された細胞層及びニッチは、培養物中の三次元組織の発達中に細胞間接触及び動作を促進するように設計された細胞含有要素の上述の構造を形成することができる。
その後、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、組織発達の最終段階によって配置され、再吸収され、分解され、或いは、損失され得る。幾つかの例において、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、マトリックスメタロプロテイナーゼを発現する細胞による酵素消化、又は他の方法によって損失され得る。
ネット特徴
ネットは、様々なタイプの組織及び組織構造の作成を補助するために様々な特徴を含み得る。そのような特徴は、限定されないが、厚み、密度、並びに、ネット構造（５００）内の細胞の移動及び／又はネット（５００）の全体形状に影響を及ぼす構造的設計の変動を含み得る。付加的な特徴は、限定されないが、自身又は他のネットへのネットの結合部分などの全体的なネット（５００）を形成するのを補助するための、及び最終組織構造の形成に更に影響を及ぼすための機械要素を含み得る。これら及び他のネット特徴が本明細書に記載される。
場合によっては、ネットは、強度を変更すること、曝露を延ばすこと、或いは、媒体（１２６）内の様々な部位にて投影された多光子レーザービーム（１２０）の曝露を繰り返すことにより、様々な構造的特徴で作成され得る。幾つかの例において、媒体（１２６）中の特定の臨界点での強度変化又は長期被曝は、堆積された細胞の密度に影響を及ぼし得る構造において特徴を作成し得る。これは、組織構築に使用可能なこれらの点において機械的な差異をもたらすことができる。図１５Ａ−１５Ｃは、ネット構造（５００）内のそのような構造的特徴の領域を作成する方法を例示する。図１５Ａは、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）のオプティックスから媒体（１２６）へ多光子レーザービーム（１２０）を投影することによるネット構造（５００）の生成を示す。図１５Ｂは、ネット構造（５００）内の特定の座標（５２０）を標的とするレーザービームからの多光子レーザービーム（１２０’）の第２の投影を例示する。本実施形態において、特定の座標（５２０）は、ネット構造（５００）のネット鎖（５０２）の予め決められた交点と一致し得る。第２の投影（１２０’）は、第１の投影（１５０）から同じ又は異なる波長であり得る。多光子レーザービーム（１２０’）のこの第２の投影は、特定の座標（５２０）でのネット物質の密度を増大することができる。図１５Ｃは、ネット鎖（５０２）の予め決められた交点にて補強の様々な点を持つ最終のネット構造（５００）を例示する。
図１６Ａ−１６Ｃは、ネット構造（５００）内のそのような構造的特徴の領域を作成する別の方法を例示する。図１６Ａは、多光子組織印刷の印刷ヘッド（１１８）のオプティックスから媒体（１２６）へ多光子レーザービーム（１２０）を投影することによるネット構造（５００）の生成を示す。図１６Ｂは、ネット構造（５００）内の特定の座標（５２０）を標的とする多光子レーザービームの第２の投影（１２０’）を例示する。本実施形態において、特定の座標は、ジグザグ形状を持つ構造的特徴（５３０）を一体的に形成する様々なネット鎖と一致し得る。多光子レーザービーム（１２０’）の第２の投影は、多光子レーザービーム（１２０）の第１の投影と同じ又は異なる波長であり得る。多光子レーザービーム（１２０’）のこの第２の投影は、特定の座標（５２０）でのネット物質の密度を増大することができる。図１６Ｃは、補強されたジグザグ形状の構造的特徴（５３０）を持つ最終ネット構造（５００）を例示する。線形の毛細管の平行な管の支持及び補強と同様に、多くの管には支持され得る分岐がある。組織及び細胞ネットに対する補強のジグザグ形状は、一例において、印刷された組織における分岐毛細管構造を支持するために平行な印刷補強部において使用され得る。別の実施形態において、ジグザグ形状の層は、垂直の圧縮力及び平行な剪断力に応じて構造的な支持を提供することができる。
細胞ネット内の高密度の線又は領域を備えることで、細胞が特定のガイドラインに沿って組織を変形させることが可能になる。そのような構造的使用の１つの実証は、血管を形成することを意味する、血管上皮細胞のまわりの組織を形成するための線維芽細胞の組織化であり得る。線維芽細胞の単純なシートは結果として、毛細管の管構造を支持せず、故に印刷された毛細管構造の機能及び構造を損なう変形をもたらし得る。代わりに、平行な線補強部などのより厚いネット領域は、図１６Ｄに例示されるように、血管内皮細胞の管などの所望の組織構造を支持する様式で構造的な変形を誘導することができる。
幾つかの実施形態において、ネット構造（５００）に沿った厚みの増大した領域は、高圧の相互作用で結合するべく細胞に影響を及ぼすために使用される。そのような相互作用は、全体のネット構造（５００）に、最終の組織構造に望ましい折り目又はしわを形成させ得る。図１７Ａ−１７Ｂ及び１８Ａ−１８Ｂは、組織構造に、培養物における三次元組織発達中に細胞間接触及び動作の結果として特定の様式で折り目又はしわを付けさせるための、ネット内の構造的特徴の使用を例示する。図１７Ａは、媒体（１２６）内に形成されたネット構造（５００）を例示し、ネット構造（５００）は、特定のネットに沿った構造的補強部（５４０）、その間のネットの第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）を含む。幾つかの実施形態において、そのような構造的補強部（５４０）は、異なる直径のネット鎖でネット構造（５００）を構築することにより製造される。図１７Ａの実施形態において、第１のネット鎖（５０２ａ）及び第２のネット鎖（５０２ｂ）は、ネット構造（５００）内の他の鎖よりも大きな直径を持ち、一定距離を離れて互いに並行して配置される。より大きな直径は補強部として役立つ。第３のネット鎖（５０２ｃ）は、第１のネット鎖（５０２ａ）及び第２のネット鎖（５０２ｂ）よりも小さな直径を持ち、その間に位置する第１のネット鎖（５０２ａ）及び第２のネット鎖（５０２ｂ）と並行して配置される。第３のネット鎖（５０２ｃ）も、少ない程度で補強される。示されるように、残りのネット部分は補強されず、強化される第１のネット鎖（５０２ａ）と、第２のネット鎖（５０２ｂ）と、第３のネット鎖（５０２ｃ）との間に存在する。線維芽細胞などの細胞（５０６）は、補強される第１のネット鎖（５０２ａ）と、第２のネット鎖（５０２ｂ）と、第３のネット鎖（５０２ｃ）との間で、ネット構造（５００）、とりわけネット構造（５００）の第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）内に捕捉される。その後、細胞（５０６）は、細胞の相互作用及び細胞運動のプロセスを始める。細胞（５０６）がネット構造（５００）の第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）内を自由に移動することができるので、張力が細胞間相互作用から生じる。これは、図１７Ｂに例示されるように、互いに向かう第１のネット鎖（５０２ａ）及び第２のネット鎖（５０２ｂ）を描く。第３のネット鎖（５０２ｃ）は、第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）を離間したままにし、折り目又はしわを付け始める。第３のネット鎖（５０２ｃ）は少ない程度で強化されるので、しわに沿った細胞（５０６）は、第３のネット鎖（５０２ｃ）の上及びそのまわりで相互作用し、折り重ねられた形状を更に安定させることができる。図１８Ａ−１８Ｂは、側面からの図１７Ａ−１７Ｂのネット構造（５００）の実施形態を例示する。図１８Ａは、折り重ねを形成するために、細胞が移動し且つ伝達するときの（矢印（５３２）により示される）細胞（５０６）の下方への動きを例示する。図１８Ｂは、第１のネット鎖（５０２ａ）、第２のネット鎖（５０２ｂ）、及び、第１のネット鎖（５０２ａ）と第２のネット鎖（５０２ｂ）を互いに向かって引き付ける第３のネット（５０２ｃ）の間に、折り重ねを形成した細胞（５０６）を例示する。
図１９Ａ−１９Ｃは、高圧の相互作用で結合するように細胞に影響を及ぼす又はそれを強制させ、折り目又はしわをもたらすために厚みの増大した領域を持つネット構造（５００）の他の実施形態を例示する。図１９Ａは、媒体（１２６）内に形成されたネット構造（５００）を例示し、ネット構造（５００）は、第１の構造補強部（５４０ａ）、第２の構造補強部（５４０ｂ）、及びその間のネットの特定のネット鎖及び未補強部分に沿った第３の構造補強部（５４０ｃ）を含む。より詳細には、第１の構造補強部（５４０ａ）、第２の構造補強部（５４０ｂ）、及び第３の構造補強部（５４０ｃ）は、ネット構造（５００）の第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）の部分が間に存在するように、平行な様式で位置決めされる線の形状又は伸長した領域を持つ。線維芽細胞などの細胞（５０６）は、ネット構造（５００）、とりわけ第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）の中で、及び第１の構造補強部（５４０ａ）と第２の構造補強部（５４０ｂ）と第３の構造補強部（５４０ｃ）との間で捕捉される。その後、細胞（５０６）は、細胞の相互作用及び細胞運動のプロセスを始める。細胞（５０６）がネット構造（５００）の第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）内を自由に移動することができるので、張力が細胞間相互作用から生じる。これは、図１９Ｂに例示されるように、互いに向かう第１のネット鎖（５０２ａ）及び第２のネット鎖（５０２ｂ）を描く。補強部は、第１の未補強部分（５０３ａ）及び第２の未補強部分（５０３ｂ）を離間したままにし、折り目又はしわを付け始める。図１９Ｃは、共に引き付けられて折り重ね及びしわを形成する、第１の未補強部分（５０３ａ）、第２の未補強部分（５０３ｂ）、及び第３の未補強部分（５０３ｃ）を示す組織の側面図を提供する。
幾つかの実施形態において、ネット構造（５００）の密度の変動は、細胞（５０６）の移動及び相互作用を誘導する。図２０は、低密度ネット領域（５６２）によって取り囲まれる高密度ネット領域（５６０）を有するネット構造（５００）の一例を例示する。高密度ネット領域（５６０）は、低密度ネット領域（５６２）の開口部よりも小さい開口部で構成される。それ故、高密度領域（５６０）は低密度ネット領域（５６２）に比べて多くの開口部を持つ。高密度ネット領域（５６０）の小さな開口部サイズは、中を通る細胞（５０６）の動作に抵抗する。故に、細胞（５０６）が移動し相互作用すると、細胞（５０６）は、高密度ネット領域（５６０）を回避して、組織構造をまわりに作り、高密度ネット領域（５６０）を取り囲む。故に、一旦、ネット構造（５００）が溶解し、分解し、又は取り除かれると、穴又は通路は、高密度ネット領域（５６０）の適所にとどまる。高密度ネット領域が位置合わせされるように多数のネットが層状にされると、内腔は細胞（５０６）を取り囲む本体を介して形成され得る。これは、他の領域における細胞を濃縮する間の細胞の低密度領域が、単一の印刷された構造にもたらされる１つの方法である。
場合によっては、高密度ネット領域（５６０）は、シグナル分子、サイトカイン、タンパク質、表面コーティング、親水性ポリマーなどのポリマー、及び／又は、細胞移動、付着、及び／又は牽引を阻害するプラズマ処理などの表面処理を含み得る。場合によっては、低密度ネット領域（５６２）は、シグナル分子、サイトカイン、タンパク質、表面コーティング、疎水性ポリマーなどのポリマー、及び／又は、細胞移動、付着、及び／又は牽引を促進する表面処理を、含み得る。
図２１は、ネット構造（５００）の密度の変動が細胞（５０６）の動き及び相互作用を誘導する別の実施形態を例示する。本実施形態において、ネット構造（５００）は、第１のネット部分（５７０）及び第２のネット部分（５７２）を含み、その間に高密度ネット領域（５７４）が存在する。加えて、ラダー（５７６）は、高密度ネット領域（５６０）を介して拡張し、第１のネット部分（５７０）及び第２のネット部分（５７２）を架橋する、低密度ネット領域で形成される。故に、第１のネット部分（５７０）及び／又は第２のネット部分（５７２）に捕捉された細胞（５０６）は、高密度ネット領域（５６０）を回避しつつラダー（５７６）に沿って移動することができる。これは、予め決められた方向に細胞（５０６）を誘導し、細胞（５０６）が予め決められた形状に従って組織構造を形成するのを可能にする。他の実施形態において、高密度ネット領域（５６０）は存在せず、ネット物質も存在しないことが、認識できる。これはまた、特にラダー（５７６）が細胞接着又は牽引を促進する特徴を含むときに、ラダー（５７６）に沿って細胞（５０６）を誘導する。
図２２は、三次元組織構造を製造するためにネット構造（５００）の密度の変動が細胞（５０６）の動き及び相互作用を誘導する別の実施形態を例示する。本実施形態において、ネット構造（５００）は、第１のネット部分（５７０）及び第２のネット部分（５７２）を含み、その間に高密度ネット高密度ネット領域（５６０）が存在する。故に、第１のネット部分（５７０）及び／又は第２のネット部分（５７２）に捕捉された細胞（５０６）は、高密度ネット領域（５６０）が原因で移動することができない。これは、予め決められた方向に細胞（５０６）を誘導し、細胞（５０６）が予め決められた形状に従って組織構造を形成するのを可能にする。
図２３Ａ−２３Ｅ、２４Ａ−２４Ｂ、２５は、細胞の接着、牽引、及び／又は相互作用を促進する、ネット鎖（５０２）に沿ったテクスチャード要素（６００）を例示する。テクスチャード要素は、ディボット、隆起したノッチ、粗い縁、又は、細胞接着及び／又は表面との細胞相互作用のために完全に滑らかでない表面を故意に作る任意の要素で、構築され得る。
マトリックスメタロプロテイナーゼの天然活性が、細胞の移動、流れ、及び／又は細胞間相互作用を可能とするべく印刷された構造を再構成するのを促進されるように、細胞ネットは、自然の構造物質の一部として特定の酵素切断部位で形成され得る。タンパク質ベースの構造内のそのような酵素切断部位の非限定的な例のリストを、表２で提供する。
図２６は、切断部位（６１０）を持つネット構造（５００）の実施形態を例示する。故に、ネット構造（５００）は、切断可能でないポリマー鎖及び切断可能なポリマー鎖を含む。本実施形態において、ネット構造（５００）は、細胞（５０６）が中を通過するのを可能とする線維芽細胞活性化タンパク質（ＦＡＰ）を含む。細胞含有バイオゲルを作るために印刷プロセスにおいて重合されるモノマーはまた、細胞が堆積された構造の機能的なリモデリングにおいて結合することを可能にするために、マトリックスメタロプロテイナーゼ（ＭＭＰ）切断部位を持つタンパク質を組み込むことができる。印刷媒体に組み込まれる、又は特定構造へと重合するために使用され得る、ＭＭＰ反応性タンパク質は、限定されないが、タンパク質；コラーゲンＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩ、Ｘ、ゼラチン、フィブロネクチン、及びエラスチンを含む。
幾つかの実施形態において、ネットは、組織構造内の特定の機能を提供する、又は様々な組織構造を共に結合するのを補助するように設計される、印刷された機械的要素を含む。そのような機械的要素の非限定的な例は、数例を挙げると、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクを含む。機械的要素は、ネット内で埋め込まれるように印刷され、（平面又は縁などに沿って）ネットの表面に沿って配置され、或いは、ネットの２つの部分又は２つの別個のネットを共に結合又は連結するように適所にある場合がある。故に、幾つかの実施形態において、層状の組織構造は、機械的要素の使用により個々のネットを連結することによって形成される。他の実施形態において、未連結の構造ニッチは、印刷された血管ネットワーク内に埋め込まれる。ニッチが、未連結の近位構造、又は以前に印刷された構造に付けられた連結を持つ新たな構造として印刷されると、これらの細胞含有ネットは、動く細胞、及び、培養物での組織発達中の細胞間接触及び移動を促進するように設計された追加の要素で構成される、半自律性の活性構造を形成する。
機械的要素の多くは、ヒンジの２つの結合可能部分又は２つのインターロッキングループなどの、共に対となることが可能な個々の部分で構成されることが、認識できる。そのような実施形態において、機械的要素の部分は、対となった構成で印刷され得る。他の実施形態において、その部分は、対となることが可能なユニットを持つシート又は縁としの印刷が、細胞発達及びそれに及ぼされた力に応じて、或いは、気道又は脈管構造に沿った圧力などの外力に応じて組織の動作中に近位にもたらされた後に、対とされ得る。幾つかの実施形態において、機械的要素は、第１の部分が第１のネットに付けられ且つ第２の部分が第２のネットに付けられるように、印刷される。対とするのに際して、第１及び第２のネットは、機械的要素の位置にて互いに対して移動することができる。これは、特に発達プロセスにおいて関連動作から利益を得る様式で、複雑な三次元組織構造を作成するために様々なネット構造を共に結合するのを補助することができる。機械的要素は代替的又は付加的に、第１の部分がネットの第１の部分に付けられ且つ第２の部分が同ネットの第２の部分に付けられるように印刷され、ネットの一部は機械的要素の位置にて互いに対して移動することが、認識できる。これは、発達プロセス中にネット内での巻き付き、ループ、捻れ、又は他の所望の動作を補助することができる。
図２７Ａ−２７Ｂは、枢動ジョイント（７００）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図２７Ａに示されるように、枢動ジョイント（７００）は、円形表面（７０５）を備えた第１のヘッド（７０４）を持つ第１の突起部（７０２）、及び凹曲面（７０９）を備えた第２のヘッド（７０８）を持つ第２の突起部（７０６）を含む。第１のヘッド（７０４）が、ロッキング動作などの一方向で凹曲面（７０９）に対して枢動することができるように、凹曲面（７０９）は円形表面（７０５）と対になることができる。幾つかの実施形態において、図２７Ｂに例示されるように、第１の突起部（７０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の突起部（７０６）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、ジョイント（７００）は印刷される。対とするのに際して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、枢動ジョイント（７００）の位置にて互いに対して枢動することができる。
図２８Ａ−２８Ｂは、ボール−ソケットジョイント（７２０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図２８Ａで断面図として示されるように、ボール−ソケットジョイント（７２０）は、円形ボールヘッド（７２４）を持つ第１の突起部（７０２）、及び凹状ソケットヘッド（７２８）を持つ第２の突起部（７０６）を含む。円形ボールヘッド（７２４）が解剖学的にボール−ソケットジョイントと同様の様式で凹状ソケットヘッド（７２８）内を回転することができるように、凹状ソケットヘッド（７２８）は円形ボールヘッド（７２４）と対になることができる。幾つかの実施形態において、図２８Ｂに例示されるように、第１の突起部（７０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の突起部（７０６）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、ボール−ソケットジョイント（７２０）は印刷される。対とするのに際して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、ボール−ソケットジョイント（７２０）の位置にて、多くの方向で互いに対して回転することができる。
図２９Ａ−２９Ｂは、サドルジョイント（７４０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図２９Ａに示されるように、サドルジョイント（７４０）は、サドル形状凹部（７４５）を備えた第１のヘッド（７０４）を持つ第１の突起部（７０２）、及び対応する第２のサドル形状凹部（７４９）を備えた第２のヘッド（７０８）を持つ第２の突起部（７０６）を含む。例示されるように、第１の凹部（７４５）及び第２の凹部（７４９）が対になるように、第１のヘッド（７０４）及び第２のヘッド（７０６）は９０度のオフセットで配向され得る。故に、第１のヘッド（７０４）及び第２のヘッド（７０６）は、一方向で互いの回りを回転することができる。幾つかの実施形態において、図２９Ｂに例示されるように、第１の突起部（７０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の突起部（７０６）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、サドルジョイント（７４０）は印刷される。対とするのに際して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、サドルジョイント（７４０）の位置にて、一方向で互いに対して枢動することができる。
図３０−３１は、ソケットジョイント（７６０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図３０に示されるように、ソケットジョイント（７６０）は、ソケット形状空洞部（７６５）を備えた第１のヘッド（７０４）を持つ第１の突起部（７０２）、及びソケット形状空洞部（７６５）内に適合するよう形成された第２のヘッド（７０８）を持つ第２の突起部（７０６）を含む。本実施形態において、ソケット形状空洞部（７６５）は管状形状であり、第２のヘッド（７０８）は、ソケット形状空洞部（７６５）へと挿入できるように円筒形状である。第２のヘッド（７０８）は長手方向に摺動し、ソケット形状空洞部（７６５）内を回転することができる。幾つかの実施形態において、図３１に例示されるように、第１の突起部（７０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の突起部（７０６）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、ソケットジョイント（７６０）は印刷される。対とするのに際して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、ソケットジョイント（７６０）の位置にて互いに対して摺動且つ回転することができる。
図３２−３３は、螺合ジョイント（７７０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図３２に示されるように、螺合ジョイント（７７０）は、第１の溝（７７７ａ）、第２の溝（７７７ｂ）、及び第３の溝（７７７ｃ）を持つソケット形状空洞部（７６５）を備えた第１のヘッド（７０４）を持つ第１の突起部（７０２）、及び、第１のネジ（７７９ａ）、第２のネジ（７７９ｂ）、及び第３のネジ（７７９ｃ）を備えた第２のヘッド（７０８）を持つ第２の突起部（７０６）を含む。ここで、第２のヘッド（７０８）は第１のネジ（７７９ａ）、第２のネジ（７７９ｂ）、及び第３のネジ（７７９ｃ）がスクリュー式様式で第１の溝（７７７ａ）、第２の溝（７７７ｂ）、及び第３の溝（７７７ｃ）と対になるように、ソケット形状空洞部（７６５）内に適合するように形成される。幾つかの実施形態において、図３３に例示されるように、第１の突起部（７０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の突起部（７０６）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、螺合ジョイント（７７０）は印刷される。対とするのに際して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、ネジによる長手方向の摺動に対する抵抗により、螺合ジョイント（７７０）の位置に互いに対して回転することができる。
図３４Ａ−３４Ｂは、コイル又はバネ（８００）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図３４Ａに示されるように、バネ（８００）は、第１の端部（８０２）、第２の端部（８０４）、及び、第１の端部（８０２）と第２の端部（８０４）の間にバネ張力をもたらすようにコイル状又は螺旋状の構成を持つ。幾つかの実施形態において、図３４Ｂに例示されるように、第１の端部（８０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の端部（８０４）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、バネ（８００）は印刷される。故に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、バネ（８００）が接続を維持する間に互いに対して移動することができる。
図３５Ａ−３５Ｂは、鎖（８１０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図３５Ａに示されるように、鎖（８１０）は、第１の端部（８０２）、第２の端部（８０４）、並びに、第１の端部（８０２）及び第２の端部（８０４）を共に接続するような鎖構成において、第１のリンク（８１６ａ）、第２のリンク（８１６ｂ）、第３のリンク（８１６ｃ）、及び第４のリンク（８１６ｄ）を持つ。幾つかの実施形態において、図３５Ｂに例示されるように、第１の端部（８０２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２の端部（８０４）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、鎖（８１０）は印刷される。故に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、鎖（８１０）が接続を維持する間に互いに対して移動することができる。
図３６Ａ−３６Ｂは、フックジョイント（８２０）を含む機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、図３６Ａに示されるように、フックジョイント（８２０）は、曲線形状を持つ第１のフック（８２２）及び曲線形状を持つ第２のフック（８２４）を含む。例示されるように曲線形状が共に掛けられるように、第１のフック（８２２）及び第２のフック（８２４）は対になることができる。幾つかの実施形態において、図３６Ｂに例示されるように、第１のフック（８２２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２のフック（８２４）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、フックジョイント（８２０）は印刷され、ここで、複数のフックジョイント（即ち、第１のフックジョイント（８２０ａ）、第２のフックジョイント（８２０ｂ）、第３のフックジョイント（８２０ｃ）、及び第４のフックジョイント（８２０ｄ））が示される。故に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、第１のフックジョイント（８２０ａ）、第２のフックジョイント（８２０ｂ）、第３のフックジョイント（８２０ｃ）、及び第４のフックジョイント（８２０ｄ）が接続を維持する間に互いに対して移動することができる。
図３７Ａ−３７Ｃは、Ｖｅｌｃｒｏ（登録商標）と同様の様式で機能するフック−ループジョイント（８３０）を含む、機械要素の実施形態を例示する。本実施形態において、フック−ループジョイント（８３０）は、複数の小さなフックを持つフック面（８３２）、及び複数の小さなループを持つループ面（８３４）を含む。フック面（８３２）は、小さなフックが小さなループに係合し、図３７Ａに例示されるように、フック面（８３２）及びループ面（８３４）を共に保持する、ループ面（８３４）と対になることができる。しかし、フック面（８３２）及びループ面（８３４）は、図３７Ｂに例示されるように、互いから離れて、フック面（８３２）及びループ面（８３４）を引くことによって外れることができる。幾つかの実施形態において、図３７Ｃに例示されるように、フック面（８３２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つループ面（８３４）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、フック−ループジョイント（８３０）は印刷される。故に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、フック面（８３２）の相互作用によって互いに対して結合且つ保持され、ループ面（８３４）は十分な引っ張り力で外れることができる。
図３８Ａ−３８Ｃは、ヒンジ（８４０）を含む機械要素の実施形態を例示する。幾つかの実施形態において、図３８Ａに例示されるように、ヒンジ（８４０）は、中を通る第１のブラケット開口部（８４６）を備えた第１のブラケット突起部（８４４）を持つ第１のブラケット（８４２）、及び、中を通る第２のブラケット開口部（８５２）を備えた第２のブラケット突起部（８５０）を持つ第２のブラケット（８４８）を含む。ヒンジ（８４０）は、第１のブラケット開口部（８４６）及び第２のブラケット開口部（８５２）を通って拡張するようにサイズ調整され且つ構成される、ロッド（８５４）を更に含む。図３８Ｂは、第１のブラケット（８４２）及び第２のブラケット（８４８）を共に結合しつつ、第１のブラケット（８４２）及び第２のブラケット（８４８）が旋回且つ回転して互いに向かって又は離れて移動するのを可能にするべく、ロッド（８５４）が第１のブラケット開口部（８４６）及び第２のブラケット開口部（８５２）を通って拡張するように、第１のブラケット（８４２）及び第２のブラケット（８４８）を例示する。幾つかの実施形態において、図３８Ｃに例示されるように、第１のブラケット（８４２）が第１のネット構造（５００ａ）に付けられ且つ第２のブラケット（８４８）が第２のネット構造（５００ｂ）に付けられるように、ヒンジ（８４０）は印刷される。故に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、ヒンジ（８４０）によって互いに対して結合且つ保持されるが、互いに対して旋回且つ傾斜することができる。
前述のように、機械的要素は、特に発達プロセスにおける関連動作から利益を得る様式で、複雑な三次元組織構造を作成するべく、ネットの一部及び／又は様々なネット構造を共に結合するなど、様々な機能を提供する。これは、発達プロセス中にネット内での巻き付き、ループ、捻れ、又は他の所望の動作を補助することができる。図３９は、ネット構造（５００）に捕捉された細胞（５０６）で構成される組織構造の実施形態を例示し、ネット構造（５００）は機械要素の存在によりループしている。図４０は、ネット構造（５００）に捕捉された細胞（５０６）で構成される組織構造の実施形態を例示し、ネット構造（５００）は機械要素の存在により捻じれている。
他の実施形態において、ネットは、近接して保持された細胞（５０６）によって共に連結又は結合される。
図４１Ａ−４１Ｂは、２つの別個のネット構造に位置する２つの別個の細胞群間の細胞間相互作用を誘導するように設計される実施形態を例示する。図４１Ａは、第１の縁（９００）を持つ第１のネット構造（５００ａ）、及び第２の縁（９０２）を持つ第２のネット構造（５００ｂ）を例示し、第１の縁（９００）及び第２の縁（９０２）は近接している。第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、第１の縁（９００）に接する第１の低密度領域（５６２ａ）、及び第２の縁（９０２）に接する第２の低密度領域（５６２ｂ）を備えて印刷される。更に、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）は、第１の低密度領域（５６２ａ）に接する第１の高密度領域（５６０ａ）、及び第２の低密度領域（５６２ｂ）に接する第２の低密度領域（５６２ｂ）を備えて印刷される。第１の低密度領域（５６２ａ）及び第２の低密度領域（５６２ｂ）は、特定の細胞（５０６）を捕捉するようにサイズ調整される。第１の低密度領域（５６２ａ）及び第２の低密度領域（５６２ｂ）に隣接する、第１の高密度領域（５６０ａ）及び第２の低密度領域（５６２ｂ）は、細胞（５０６）を除外するようにサイズ調整される。故に、細胞（５０６）は、図４１Ｂに例示されるように、互いに第１の縁（９００）及び第２の縁（９０２）に沿って保持され、及び細胞間相互作用を支持する。これは、第１の縁（９００）及び第２の縁（９０２）を共に結合して、第１のネット構造（５００ａ）及び第２のネット構造（５００ｂ）を連結又は結合する。
他の実施形態において、様々な密度ネットが、図４２Ａ−４２Ｂに例示されるように細胞鎖を生成するために使用され得る。例えば、図４２Ａに示されるように、幾つかの実施形態において、ネット構造（５００）は、長手方向領域を備えて印刷され、第１の開口部（５０４）は特定の細胞（５０６）を捉えるようにサイズ調整され、周囲の第２の開口部（５０４’）は細胞（５０６）を除外するようにサイズ調整される。そのような実施形態において、細胞（５０６）は、図４２Ｂに示されるように、長手方向の領域内で近接して保持され、互いの細胞間相互作用を支持して、細胞の長手方向の鎖を作成する。
幾つかの実施形態において、ネット構造は、自己集合を促進する要素、又は、細胞の「圧搾（ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ）」及び細胞質ゾルの流れを可能にする構造を介して、細胞のシート、鎖、ネットワーク、群、又は個々の細胞の動作を制限、促進、又は可能にするために一次構造変形又は他の力吸収伸張要素を必要としない圧縮を可能とする構造要素を含むことが、認識できる。同様に、幾つかのネットは、圧力、伸張、又は組織間緊張の機械力における、圧力、張力、進行性又は脈動性の局所的推移に応じて細胞の形成又は分化を可能にする。幾つかの例において、発達する組織内の移動、環境的応答、及び細胞間接触は、機能器官、組織、及び細胞の発達に重要である。これらの非限定的な例は、より大きなネットワークの一部である又は一部ではない、個々の細胞間相互作用を含む。調整ネットワーク内の細胞の移動は、二次元又は三次元の細胞シートの流れ、折り畳み、しわ付け、変形、又は捻じれ、或いは、鎖の形成、機能組織の発達及び形態形成に必要な多層状スフェロイド形成又は連結を含み得る。
結合又は分泌されたシグナル分子、受容体、及び／又は刺激抗体或いは遮断抗体を含有しているビーズは、方向的又は局所的な自己集合の促進のために印刷され得る。そのようなシグナル分子の非限定的な例は、血管成長及び分岐を促進するためのＶＥＧＦ；リンパ性脈管構造成長及び発達を促進するためのＶＥＧＦ−Ｃ；神経発達又は腎臓中の腎蕾分岐を促進するためのＧＤＮＦ；或いは組織依存性の発達的なパタニングを促進するためのＳＨＨを含む。そのようなシグナル分子ビーズも、軸索経路検索を誘導するために使用されてもよい。正常な神経発達において、発達する軸索の成長円錐は、軸索を含む細胞骨格アクチンの組み立てを介して軸索伸長を促進する誘引性の合図、及び、アクチン組み立てを阻害する及び／又はアクチン分解を促進することによって軸索伸長を妨げる反発的な合図に応答する。誘引性の及び反発的な合図は適切な経路検索に必要である。誘引性の合図はＥｐｈｒｉｎＢ及びネトリンを含み；反発的な合図はＥｐｈｒｉｎＡ、セマフォリン、及びＳｌｉｔを含む。所望の位置でのシグナル伝達ビーズ内の誘引性の及び反発的な合図の印刷は、印刷された神経の始原細胞からの軸索増殖を促進且つ制御するための機構を提供する。
印刷媒体及び印刷条件
前述のように、媒体チャンバ（１２２）は、細胞、重合化可能な物質、及び培養媒体で構成された媒体を含有している。重合化可能な物質は、生物適合性であり、溶解可能であり、場合によっては生物学的に不活性である、重合化可能な単量体単位を含む。単量体単位は、生成される組織に特異的な細胞基質及び基底膜構造などの、細胞含有構造を作成するために、多光子光子レーザー励起（１２０）に応じて重合し、架橋し、又は反応する。媒体チャンバは、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含む媒体を含み得る。
幾つかの実施形態において、媒体は、光活性剤又は光活性剤の無い重合可能な単位の何れかを含有する、粘度が例えば少なくとも約０．２ｍＰａ・ｓ〜約１０Ｐａ・ｓの溶液を含む。溶液は、非ニュートン性となるように溶液挙動を改変するために、化学的及び／又は生物学的活性を発現して又は発現することなく、化学的及び／又は生物学的構成成分で浸され得る。そのような挙動は、媒体が剪断力を受けるとあまり粘着性でなくなるずれ揺変特性、或いは、媒体が振動又は振盪によりあまり粘着性でなくなるチキソトロピー媒体の場合に特に有用であり；そのような媒体は、媒体置換中に改善され且つより優れて制御された流出を示すことができる。細胞含有印刷媒体に加えられるそのような構成成分の非限定的な例は、様々な量のヒアルロン酸、ヘパリン硫酸塩、Ｉ〜Ｘ型のコラーゲン、エラスチン、及びフィブリノゲンを含有している、細胞外マトリックスタンパク質混合物を含む。追加の有機的又は非有機的な要素は、電子雪崩の速度の増加を引き起こすために細胞含有印刷媒体へと導入され得る。これら粒子の非限定的な例は、非毒性ナノ粒子、セレニウム又はリチウムなどの多くの自由に入手可能な電子を含む単体における中程度の増加を含む。
場合によっては、ネット構造（５００）及びその中の構成成分の多光子印刷を使用して多数の細胞層の構築を促進するために、特定の条件が印刷プロセス中に使用され得る。そのような条件は、数例を挙げると、細胞呼吸の減少、細胞球状化、移動の最小化、及び細胞損傷の最小化をもたらす。場合によっては、細胞の球状化及び付着の減少は、ネットにおける細胞の捕捉、及びネットに捕捉されない細胞の効果的な除去に望ましい場合がある。これは、例えば少なくとも約１℃〜約３６℃の範囲で、重合可能な単位、或いは追加の細胞又は重合性単量体を含有していない媒体を含有している印刷媒体の温度を維持することにより達成可能である。この温度範囲は細胞呼吸を抑え、細胞「球状化」を促進し、レーザー誘発の温度効果を減少し、且つ細胞の移動を最小化することができる。温度は、能動的又は受動的な冷却機構によって制御され得る。具体的には、バイオゲルを作成するために使用される媒体又は印刷媒体は、細胞印刷のために熱交換プラットフォームを備えることにより、又は冷凍室などの冷却された周囲温度で印刷することにより、冷却可能である。
一般的に、多光子印刷のために使用される赤外線光子は散在性であり、及び／又は、短い圧縮された一時的に別個の光子パケットで構成され得る。しかし、焦点付近では、これら光子パケットは、次第に圧縮されるようになり、赤外線（ＩＲ）照射の濃度の局所的な増加を結果としてもたらすことができる。故に、印刷プロセスは、焦点面の外部の周囲媒体に熱を加える場合があり、これはレーザーパワーの増加に直接相関して増大する問題となる。それ故、多光子波長自体に直接関連する或いは非放射性腐食（光子放射前の励起電子のエネルギー損失）の一部としての、赤外線に応じた熱は、細胞に損傷をあたえかねない著しい熱を与える場合がある。冷たい印刷媒体は、この潜在的な熱毒性を減らすことができる。
幾つかの例において、焦点付近の高強度の光子吸収に関連付けられるエネルギーによる熱の高度に局所的な増加は、幾つかの物質の望ましくない重合又は酸化を引き起こしかねない。冷却媒体は、一般的な赤外線、焦点、及び焦点付近の熱生成の拡散を促進し、それにより生細胞への潜在的な熱毒性を減らすことができる。赤外線からの熱毒性の減少に加えて、冷却媒体は、細胞が均一に分配され続けるように、多数の重合された物質の構造剛性を改善し、印刷媒体の粘度を増大することができる。このように、冷却温度での構造剛性の増加、及び可撓性の減少は、堆積した構造に損傷を与えることなく、印刷の更なるラウンドのための細胞含有媒体の交換の速度改善を可能とし得る。
幾つかの例において、焦点付近の高強度の光子吸収に関連付けられるエネルギーによる熱の高度に局所的な増加は、幾つかの物質の重合又は酸化を引き起こし得る。モノマー及び細胞含有印刷物質の幾つかの調合において、熱の高度に局所的な増加は、多くの生体適合性モノマーが細胞ネットを作成するために鎖へと重合可能であるため、望ましい場合がある。このプロセスは、異なる波長での放射熱放散を使用することにより調整可能であり、及びモノマーの重合は熱放射にのみ特異的であり得る。幾つかの調合において、このことは、光子吸収、光誘導印刷、及び／又は光重合に反応的でない熱重合化化合物の仕様によって達成され得る。
キレート化剤の添加による、カルシウム及び／又はマグネシウムなどのカチオンの除去は、細胞間の及び細胞と細胞外マトリックスとの間のタンパク質間相互作用を減らし、移動を減らし、細胞球状化を促進し、且つ、細胞分化の進行を一時的に遅くする又は加速することができる。それ故、場合によっては、印刷バイオゲル及び媒体は、例えば少なくとも約０〜約１．８ナノモル（ｎＭ）のカルシウム濃度の範囲内で維持することができる。自然に低いカルシウム濃度媒体が使用され、或いは、カルシウムキレート剤の添加が細胞含有印刷媒体に組み込まれ得る。場合によっては、カチオンキレート化剤が、カルシウム、マグネシウム、又はナトリウムを含むがこれらに限定されないカチオンのモル濃度を減少するために添加されてもよい。キレート化剤の非限定的な例は、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、エチレングリコール−ビス（β−アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−４酢酸（ＥＧＴＡ）、及び１，２−ビス（ｏ−アミノフェノキシ）エタン−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸（ＢＡＰＴＡ）を含む。場合によっては、細胞によって放たれた自然発生の小分子及び化学物質は、細胞呼吸の減少を促進し、細胞呼吸回復を促進し、或いは印刷プロセスによって生成されたラジカルをクエンチするために、印刷媒体の特定の調合に添加される。非限定的な例は、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、ナトリウム水硫化物（ＮａＨＳ）、亜酸化窒素、グルタチオン、リン酸塩、β−グリセロリン酸塩、ピルビン酸ナトリウム、Ｌ−グルタミン、炭素ベースの糖、微量栄養素、ヒト血清タンパク質と成長因子の混合物、代謝作用因子（インスリン）、サイトカイン、ケモカイン、及び、Ｒｈｏ／Ｒａｃ経路、ＰＩ３キナーゼ経路、又はユビキチナーゼ阻害剤などの内部細胞経路と相互作用する化合物を含む。他の代案として、一旦、印刷プロセスが完了する、又は部分的に完成すると、新しく印刷された構造を取り囲む媒体は、細胞が正常な恒常性機能及び活発な運動性に戻るのを可能とするために生理的条件に戻すことができる。
場合によっては、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）は、印刷媒体の調合（即ち、媒体）に添加され得る。グルタチオン（ＧＳＨ）は生物体に重要な抗酸化剤であり；これは細胞の健康の促進するフリーラジカル捕捉剤である。グルタチオンは、限定されないが遊離基、過酸化物、過酸化脂質、及び／又は重金属などの活性酸素種によって引き起こされた細胞損傷を妨げることができる。グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）は、製造プロセス及び／又は印刷プロセスに使用され得る。グルタチオンは、細胞を含む、製造プロセス及び／又は印刷プロセスに使用され得るフリーラジカル阻害剤である。グルタチオン又は機能変異体（又は誘導体）は、細胞を使用する、製造プロセス及び／又は印刷プロセスに使用され得る。場合によっては、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）は、３Ｄホログラフィック印刷プロセスによって生成されたラジカルをクエンチすることができる。グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）は、ラジカル反応をクエンチすることにより所望の印刷領域外部のあらゆる付加的な重合を抑えることができる。本明細書で提供される方法及びシステムは、組織工学に必要な超微細な構成の印刷を達成するために、３Ｄホログラフィック印刷プロセス中に重合反応を制御するべくグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を使用し得る。グルタチオンの機能変異体及び／又は誘導体は、限定されないが、ピルビン酸ナトリウム及びＬ−グルタミンを含み得る。
媒体は、グルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を更に含み得る。媒体は、少なくとも約０．１ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０１ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０５ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．５ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約５ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１０ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約２０ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約３０ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約４０ミリモル（ｍＭ）〜約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。
媒体は、少なくとも約０．０１ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０２ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０３ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０４ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０６ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０７ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０８ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．０９ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．１ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．２ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．３ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．４ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．６ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．７ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．８ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約０．９ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約２ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約３ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約４ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約６ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約７ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約８ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約９ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１０ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約２０ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約２５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約３０ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約３５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約４０ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約４５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、約５０ｍＭ以上のグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約７５ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。媒体は、少なくとも約１００ｍＭのグルタチオン又はその機能変異体（又は誘導体）を含み得る。
共に、低カルシウム及び冷たい温度は、細胞挙動、代謝プロセス、及び多層組織印刷に重要な環境に対する生理学的反応に対し、重要な効果を持つ場合がある。これらは、限定されないが、ｉ）低カルシウム（Ｃａ２＋）濃度及び冷たい媒体において維持された細胞は、円形を呈し、突起部を取り除く；ｉｉ）細胞の低いカルシウム（Ｃａ２＋）及び冷たい媒体の条件は、インテグリン、ムチン（及び他のタンパク質）を機能的に改変する。低いＣａ２＋濃度は、完全に存在しない場合に細胞接着が大幅に減らされるように、物理的なタンパク質立体配座を改変し得る。加えて、冷たい温度は、タンパク質間相互作用の正確性を減らす場合がある。ｉｉｉ）低いＣａ２＋、冷たい媒体は、外部の細胞間相互作用に関連付けられるシグナル伝達、並びに環境反応及び遺伝学的変化に関連付けられる内因性細胞シグナル伝達を停止させる場合がある；及びｉｖ）細胞間相互作用の傾向を減少は、低い又はゼロの細胞凝集形成での高密度の単細胞浮遊を可能にし得る。細胞凝集形成の減少又は最小化は、制限構造内の細胞の分布及び配置に対しても重要な場合がある。
共に、これら条件は、球状化の重要な物理的変化、マトリックス−細胞相互作用及び細胞間相互作用の減少、細胞呼吸の減少、及び、ＣＯ２緩衝を介した細胞呼吸の生化学的な支持を引き起こし得る。ＣＯ２緩衝は、細胞含有印刷媒体に様々な小分子又は薬剤を添加することによって達成することができる。
加えて、ｐＨの変化は、粘度、細胞生存、又は印刷媒体特性を大幅に改変することができる。それ故、細胞含有媒体、バイオゲル、又は印刷物質のｐＨの変化又は安定化は、様々なｐＨ緩衝液の添加によって達成され得る。幾つかの例において、印刷媒体のｐＨは、印刷プロセス中、及び回復期間中に細胞の健康及び機能に対して重要であり得る。それ故、場合によっては、細胞印刷媒体のｐＨの制御を補助する緩衝液は、媒体に含まれ得る。そのようなｐＨ緩衝液は、印刷プロセス、細胞呼吸、又は媒体を印刷するため添加され得る他の構成成分に関連するｐＨ変化又は変動を減少するために添加され得る。細胞適合性及び印刷適合性のｐＨ緩衝液の非限定的な例は、以下を含み得る：２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、ビス（２−ヒドロキシエチル）アミノ−トリス（ヒドロキシメチル）メタン（ＢＩＳ−ＴＲＩＳ）、２−［（２−アミノ−２−オキソエチル）−（カルボキシメチル）アミノ］酢酸（ＡＤＡ）、２−（カルバモイルメチルアミノ）エタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、１，３−ビス（トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ）プロパン（ＢＩＳ−ＴＲＩＳ ＰＲＯＰＡＮＥ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、２−ヒドロキシ−３−モルホリン−４−イルプロパン−１−スルホン酸（ＭＯＰＳＯ）、コラミンクロリド、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）−２−アミノエタンスルホン酸（ＢＥＳ）、２−［［１，３−ジヒドロキシ−２−（ヒドロキシメチル）プロパン−２−イル］アミノ］エタンスルホン酸（ＴＥＳ）、２−［４―（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−１−イル］エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、３−（Ｎ，Ｎ−ビス［２−ヒドロキシエチル］アミノ）−２−ヒドロキシプロパンスルホン酸（ＤＩＰＳＯ）、４−（Ｎ−モルホリノ）ブタンスルホン酸（ＭＯＢＳ）、２−ヒドロキシ−３−［トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ］−１−プロパンスルホン酸（ＴＡＰＳＯ）、アセトアミドグリシン、トリス−酢酸塩−エチレンジアミン四酢酸（ＴＡＥ）、ピペラジン−１，４−ビス（２−ヒドロキシプロパンスルホン酸二水和物（ＰＯＰＳＯ）、４−（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−１−（２−ヒドロキシプロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳＯ）、４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジンプロパンスルホン酸（ＥＰＳ）、４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジンプロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、トリシン、２−アミノ−２−（ヒドロキシメチル）−１，３−プロパンジオール（ＴＲＩＺＭＡ）、グリシンアミド、グリシル−グリシン、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−Ｎ’−（４−ブタンスルホン酸）（ＨＥＰＢＳ）、ビシン、３−｛［１，３−ジヒドロキシ−２−（ヒドロキシメチル）プロパン−２−イル］アミノ｝プロパン−１−スルホン酸（ＴＡＰＳ）、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール緩衝液（ＡＭＰＢ）、２−（シクロヘキシルアミノ）エタンスルホン酸（ＣＨＥＳ）、Ｎ−（１，１−ジメチル−２−ヒドロキシエチル）−３−アミノ−２−ヒドロキシプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳＯ）、３−（シクロヘキシルアミノ）−２−ヒドロキシ−１−プロパンスルホン酸（ＣＡＰＳＯ）、３−（シクロヘキシルアミノ）−１−プロパンスルホン酸（ＣＡＰＳ）、４−（シクロヘキシルアミノ）−１−ブタンスルホン酸（ＣＡＢＳ）。
多重光子励起の三次元投影に関連するような細胞のまわりの光子ベースの且つ熱で誘導された重合プロセスを介してポリマーの印刷プロセスを増強するための追加の方法が、提供される。まず、生物学的に適合性又は生物学的に不活性な電子供与体は、多光子ベースの重合の割合を増大する電子カスケード現象を増強し得る。場合によっては、この現象は、接地状態と励起状態との間の遷移を容易にするために近エネルギー状態で電子殻を備えるなど、特定の特性を持つバイオゲル又は細胞を含有する印刷物質の使用により、利用され得る。電子カスケード開始の効果又は尤度の増強は、システムへの即座の電子供与体として機能するべくバイオゲルに追加の要素を添加することによって達成され得る。
場合によっては、組織の生体印刷の速度は、電子カスケード事象の生成、光重合のダイナミックレンジの調整、又はそれを行う多光子波長の選択の目的のために、活性化因子として細胞適合性の電子供与体のドープによって増強され得る。これらの電子供与体は、リチウム、セレニウム、ヨウ素、又は、ニコチン酸及びリボフラビンなどのより大きな有機分子などのイオンを含むがこれらに限定されない、染料、ナノ粒子、又は生物学的に活性な電子供与体を含み得る。重合が、重合を誘導するためにドープ剤として使用される粒子、分子、又は化合物からのエネルギー伝達の結果として生じるように、バイオゲルのドープは、光子ベースの重合のための感度の範囲を拡大する場合もある。光子カスケードも二光子重合の場合に使用されてもよく、ドープ粒子は、接地状態に向かって無作為及び代替的な経路に基づいて異なる波長の光を放つ能力に対して、選択され得る。
更に、場合によっては、重合のためのダイナミックレンジの調整は、共にボクセルサイズを増大する励起の持続時間又は励起の強度を単に変更することによってポリマー密度の比較的増大又は減少した領域を含む、追加の構造特性が細胞ネットに追加されるのを可能にすることができる。このような同じ印刷経路内の密度又は厚みの増加は、構造において特異的に選択されたスポット又は領域が長時間のレーザー暴露時間を受けて、様々な構造要素の導入を可能にするように、３次元画像の特定の部分又は構成成分のみを投影し、或いは明滅させることによって、達成され得る。
共に、これらの特徴は、細胞への損傷を最小限にして、より大きな構造を印刷する間の長期の印刷時間、より長く且つ均一な細胞分散、及び浮遊中の分布を可能にし得る。加えて、これら条件は、多層の印刷プロセス中に細胞ネットに固定されない細胞のより完全な除去を促進することができる。共に、これら印刷媒体条件は、複数回の細胞含有構造の堆積に必要な長期の期間中に、細胞のより制御された配置、細胞生存の増加、及び除去の促進を可能にし得る。
コンピュータ制御システム
本開示は、本開示の方法を実施するようにプログラムされるコンピュータ制御システムを提供する。図４３は、コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルを受け取り；コンピュータメモリーにおける３Ｄ生体物質のコンピュータモデルのポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し；及び３Ｄ生体物質のコンピュータモデルに従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバにおける媒体にエネルギービームを向けるために、並びに３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべくポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、少なくとも１つのエネルギー源を向けるようにプログラムされる又は構成される、コンピュータシステム（１１０１）を示す。コンピュータシステム（１１０１）は、例えば、印刷される望ましい三次元（３Ｄ）生体物質構造のコンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデルを受け取る又は生成することなど、コンピュータモデルの生成及び設計、画像生成、ホログラフィック投影、及び光変調の様々な態様を調節することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、印刷される所望の三次元（３Ｄ）生体物質構造の画像へと、ポイントクラウドモデル又はラインベースモデルなどのコンピュータモデルのＣＡＤモデル、又は他のあらゆるタイプを変換することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、画像、望ましい三次元（３Ｄ）生体物質構造をホログラフィーで投影することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、光路又はエネルギービーム経路がコンピュータシステム（１１０１）によって作成されるように、光源、エネルギー源、又はエネルギービームを調節することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、光路又はエネルギービーム経路に沿って光源、エネルギー源、又はエネルギービームを配向することができる。コンピュータシステム（１１０１）はユーザー又はコンピュータシステムの電子デバイスであり、ユーザー又はコンピュータシステムは電子デバイスに対して遠隔に位置付けられる。電子デバイスはモバイル電子デバイスでもよい。
コンピュータシステム（１１０１）は、単一コア又はマルチコアプロセッサ、或いは並列処理のための複数のプロセッサとすることができる、中央処理装置（ＣＰＵ、本明細書では「プロセッサ」及び「コンピュータプロセッサ」）（１１０５）を含む。コンピュータシステム（１１０１）は、メモリ又は記憶場所（１１１０）（例えばランダムアクセスメモリ、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ）、電子記憶装置（１１１５）（例えばハードディスク）、１つ以上の他のシステムと通信するための通信インターフェース（１１２０）（例えばネットワークアダプタ）、及びキャッシュ、他のメモリ、データ記憶装置、及び／又は電子ディスプレイアダプターなどの周辺機器（１１２５）も含有する。メモリ（１１１０）、記憶装置（１１１５）、インターフェース（１１２０）、及び周辺機器（１１２５）は、マザーボードなどの通信バス（実線）を通じて、ＣＰＵ（１１０５）と通信する。記憶装置（１１１５）は、データを保存するためのデータ記憶装置（又はデータレポジトリ）であり得る。コンピュータシステム（１１０１）は、通信インターフェース（１１２０）の助けによってコンピューターネットワーク（「ネットワーク」）（１１３０）に動作可能に連結され得る。ネットワーク（１１３０）は、インターネット及び／又はエクストラネット、インターネットと通信状態にあるイントラネット及び／又はエクストラネットであり得る。場合によっては、ネットワーク（１１３０）は、電気通信及び／又はデータのネットワークである。ネットワーク（１１３０）は、１つ以上のコンピューターサーバーを含むことができ、これはクラウドコンピューティングなどの分散コンピューティングを可能にすることができる。ネットワーク（１１３０）は、場合によってはコンピュータシステム（１１０１）の助けにより、ピアツーピア・ネットワークを実施することができ、これは、コンピュータシステム（１１０１）に連結されたデバイスが、クライアント又はサーバーとして動くことを可能にし得る。
ＣＰＵ（１１０５）は、プログラム又はソフトウェア中に埋め込まれる、機械読み取り可能な命令のシーケンスを実行できる。この命令は、メモリ（１１１０）などのメモリ位置に保存され得る。この命令は、ＣＰＵ（１１０５）に向けることができ、これは後に、本開示の方法を実施するようにＣＰＵ（１１０５）をプログラム又は構成することができる。ＣＰＵ（１１０５）により実行される動作の例は、フェッチ、デコード、実行、及びライトバックを含み得る。
ＣＰＵ（１１０５）は集積回路などの回路の一部であり得る。システム（１１０１）の１つ以上の他のコンポーネントを回路に含めることができる。場合によっては、回路は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。
記憶装置（１１１５）は、ドライバー、ライブラリ、及び保存されたプログラムなどのファイルを記憶できる。記憶装置（１１１５）は、ユーザーデータ、例えばユーザーの嗜好性及びユーザーのプログラムを保存することができる。コンピュータシステム（１１０１）は、場合によっては、イントラネット又はインターネットを通じてコンピュータシステム（１１０１）と通信状態にあるリモートサーバー上に位置付けられるなど、コンピュータシステム（１１０１）の外側にある１つ以上の追加のデータ記憶装置を含み得る。
コンピュータシステム（１１０１）は、ネットワーク（１１３０）を介して１つ以上の遠隔コンピュータシステムと通信できる。例えば、コンピュータシステム（１１０１）はユーザーのリモートコンピュータシステムと通信できる。リモートコンピュータシステムの例は、パーソナルコンピュータ（例えば、持ち運び可能なＰＣ）、スレート又はタブレットＰＣ（例えばＡｐｐｌｅ（登録商標）ｉＰａｄ（登録商標）、Ｓａｍｓｕｎｇ（登録商標）Ｇａｌａｘｙ Ｔａｂ）、電話、スマートフォン（例えばＡｐｐｌｅ（登録商標）ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ−ｅｎａｂｌｅｄデバイス、Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙ（登録商標））、クラウドベースのコンピューティングサービス（例えばＡｍａｚｏｎ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ）、又は携帯情報端末を含む。ユーザーは、ネットワーク（１１３０）を介してコンピュータシステム（１１０１）にアクセスすることができる。
本明細書に記載されるような方法は、コンピュータシステム（１１０１）の電子記憶場所、例えば、メモリ（１１１０）又は電子記憶装置（１１１５）などに記憶された機械（例えば、コンピュータ処理装置）実行可能なコードとして実行され得る。機械実行可能又は機械可読コードは、ソフトウェアの形で提供することができる。使用中、コードはプロセッサ（１１０５）により実行され得る。場合によっては、コードは、記憶装置（１１１５）から検索され、且つプロセッサ（１１０５）による即時のアクセスのためにメモリ（１１１０）に保存することができる。幾つかの状況において、電子記憶装置（１１１５）は除外することができ、機械実行可能命令がメモリ（１１１０）に保存される。
コードは、コードを実行するように適合されたプロセッサを有する機械と共に使用するために予めコンパイルされ且つ構成され、或いは実行時にコンパイルされ得る。コードは、予めコンパイルされた又はアズコンパイルされた（ａｓ−ｃｏｍｐｉｌｅｄ）様式でコードが実行を可能にするために選択可能な、プログラミング言語で供給され得る。
コンピュータシステム（１１０１）などの本明細書中に提供されるシステム及び方法の態様は、プログラミングにおいて具体化され得る。この技術の様々な態様は、典型的に一種の機械可読媒体上で運ばれる又はそれに埋め込まれる機械（又はプロセッサ）実行可能コード及び／又は関連データの形で、「製品」又は「製造用品」として考慮され得る。機械実行可能コードは、メモリ（例えば、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ）又はハードディスクなどの電子記憶装置に記憶することができる。「記憶」型の媒体は、様々な半導体メモリ、テープドライブ、ディスクドライブなどの、コンピュータやプロセッサの有形メモリ、或いはその関連するモジュールの何れか又は全てを含むことができ、これらは、ソフトウェアのプログラミングのためにいかなる時も非一時的な記憶を提供し得る。ソフトウェアの全て又は一部は、インターネット又は様々な他の電気通信ネットワークを介して時々通信される。そのような通信は、例えば、１つのコンピュータ又はプロセッサから別のものへの、例えば、管理サーバー又はホストコンピュータからアプリケーションサーバーのコンピュータプラットフォームへのソフトウェアのローディングを可能にし得る。故に、ソフトウェア要素を持ち得る別のタイプの媒体は、有線及び光地上通信線ネットワークを通じた、及び様々なエアリンク（ａｉｒ−ｌｉｎｋｓ）上での、ローカルデバイス間の物理インターフェースにわたって使用されるものなどの、光波、電波、及び電磁波を含む。有線又は無線リンク、光リンクなどの、そのような波を運ぶ物理要素はまた、ソフトウェアを持つ媒体と考慮され得る。本明細書で使用されるように、非一時的で有形の「記憶」媒体に制限されなければ、コンピュータ又は機械「可読媒体」などの用語は、実行のためのプロセッサに命令を提供することに関与する媒体を指す。
従って、コンピュータ実行可能コードなどの機械可読媒体は、有形ストレージ媒体、搬送波媒体、又は物理的伝送媒体を含むが、これに限定されない、多くの形態をとってもよい。不揮発性記憶媒体は、例えば、図面に示されるデータベースなどを実施するために使用され得るものなど、コンピュータなどにおける記憶デバイスの何れかといった、光ディスク又は磁気ディスクを含む。揮発性記憶媒体は、そのようなコンピュータプラットフォームのメインメモリなどのダイナミックメモリを含む。有形送信媒体は、同軸ケーブル；コンピュータシステム内のバスを含むワイヤーを含む、銅線及び光ファイバーを含んでいる。搬送波送信媒体は、無線周波（ＲＦ）及び赤外線（ＩＲ）データ通信中に生成されたものなどの、電気信号又は電磁気信号、或いは音波又は光波の形態をとり得る。それ故、コンピュータ可読媒体の共通の形態は、例えば：フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ若しくはＤＶＤ−ＲＯＭ、他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、穴のパターンを有する他の物理的な記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ及びＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、他のメモリチップ若しくはカートリッジ、データ若しくは命令を輸送する搬送波、そのような搬送波を伝達するケーブル若しくはリンク、又はコンピュータがプログラミングのコード及び／又はデータを読み取り得る他の媒体を含む。コンピュータ可読媒体のこれらの形態の多くは、実行のためにプロセッサに１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを運ぶことに関係し得る。
コンピュータシステム（１１０１）は、電子ディスプレイ（１１３５）含む又はそれと通信することができ、電子ディスプレイ（１１３５）は、例えば印刷プロセスの状態を提供する（例えば、プロセスの完了前に印刷された３Ｄ組織部分を表す３Ｄ生体物質のイラストを表示する）ためのユーザーインターフェース（ＵＩ）（１１４０）、エネルギービームの手動制御（例えばエネルギービームのオン／オフ状態を制御する非常停止ボタン）、及び、例えば媒体チャンバ内の遠隔の酸素、二酸化炭素、湿度、及び温度の測定値を表示するように設計されたディスプレイを含む。ＵＩの例は、限定されないが、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）及びウェブベースのユーザーインターフェースを含む。
実施例１−本明細書に記載される方法及びシステムを使用した生物学的に機能性の大動脈弁のホログラフィック印刷
一例では、患者は、息切れ、胸痛、及び心雑音などの症状を示す。医師は、大動脈弁狭窄の患者を診断し、大動脈弁置換手術を推奨する。患者は、大動脈弁のコンピュータトモグラフィー（ＣＴ）スキャンを受ける。その後、大動脈弁のＣＴスキャンは、コンピュータ利用設計（ＣＡＤ）モデルに変換され、本明細書に開示されるシステムのコンピュータプロセッサによって受け取られる。コンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーにおける大動脈弁ＣＡＤモデルのポイントクラウド表現を生成する。コンピュータプロセッサは更に、大動脈弁のポイントクラウド表現を立体画像などの画像に変換する。システムは更に、三次元画像を分解且つ再構成し、これを媒体チャンバにおいてホログラフィック様式にて投影する。媒体チャンバは、線維芽細胞、軟骨を支持する軟骨細胞、及び部分的に分化された間葉系幹細胞などの細胞；心筋細胞保存培地などの細胞培養培地；重合化可能な物質（例えば２ｍｇ／ｍＬのコラーゲンメタクリレート及び５０％ｗ／ｖのポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ））；及び光重合開始剤（例えば、エオシンＹ）を含む。次に、システムは、３Ｄの生物学的に機能性の大動脈弁を形成するべく重合化可能な物質をさらすために、患者の大動脈弁のポイントクラウド表現に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向ける。その後、３Ｄ印刷された生物学的に機能性の大動脈弁は、組織培養培地の条件で成長させられ、機能性及び構造的な特性を評価され、そして大動脈弁置換手術中に患者の罹患した大動脈弁を置換するために最終的に使用される。
実施例２−血管柄付き三次元皮膚移植のホログラフィック印刷
別の例において、医師は、患者の重度の皮膚病又は熱傷を処置し、代替組織が必要とされる。医師は、患者又は患者の遺伝的に同等なもの（ｇｅｎｅｔｉｃ ｍａｔｃｈ）由来である健康な皮膚の一部から、原始細胞数の要件に依存して、約３ｍｍ〜１０ｃｍの皮膚生検をとる。医師は、Ｐｒｅｌｌｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃｓに皮膚生検を送る。Ｐｒｅｌｌｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃｓは皮膚を分離する；即ち、Ｐｒｅｌｌｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃｓは、新たな血管柄付き皮膚を印刷するために細胞の十分な数の細胞が得られるまで、限定されないが、様々な分化状態のケラチノサイト、線維芽細胞、上皮細胞、及び幹細胞などの、皮膚からの別個の細胞型の一部を成長させ且つ拡大させる。血管柄付き皮膚のモデル及び層印刷の順序は、新たな皮膚の３Ｄ印刷が行われる媒体チャンバにレーザー又はエネルギービームを誘導する光学素子を制御する、コンピュータシステムへとロードされる。例えば、印刷される細胞の順序が決定され、例えば血管細胞が最初に印刷される。微小血管は、本明細書に記載される方法及びシステムを使用して印刷される。細胞含有媒体は、内皮細胞、並びに、１ｍｇ／ｍＬのコラーゲンメタクリレート及び５０％ｗ／ｖのポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）の混合物を含む。細胞含有媒体はバイオインクであり得る。一旦、脈管構造が印刷されると、印刷された構造は、細胞含有媒体から取り除かれ、安定した血管系が存在するまで生理的条件で維持される。次に、印刷された血管系の安定性を流体流試験により検証し、皮膚層に存在する残りの細胞型、限定されないが、ケラチノサイト、上皮細胞、幹細胞、及び／又は線維芽細胞などを既存の印刷された脈管構造のまわりに印刷して、真皮層及び表皮層を形成する。残りの細胞型も本明細書に記載された方法及びシステムを使用して印刷される。皮内の構造、限定されないが、毛包及び脂線などは、上皮幹細胞を含む細胞含有媒体を使用して以前に印刷された三次元構造のまわりに印刷され；故に、印刷された三次元皮膚組織が形成される。その後、印刷された三次元皮膚組織は、細胞培養システムによって提供される生理的条件に戻る。三次元印刷された皮膚構造に、栄養豊富な酸化媒体のポンピング、及び／又は血管系の複数の内腔を通じた血液置換を介して、それ自体の潅流システムが提供される。三次元印刷された皮膚組織の分化及び増殖は、時折の生検によってモニタリングされ、十分な発達的な状態に到達すると、三次元印刷された皮膚組織は移植のために医師に返却される。本明細書に記載される血管柄付きの三次元印刷された皮膚移植は、組織が生きているという事実、外科的吻合術、又は血管と患者自身の循環系との接続部を含むがこれらに限定されない、他の解決策で多くの利益を持ち、移植片の機能的な取り込みを可能にする。
実施例３−三次元の機能的な印刷された腎臓のホログラフィック印刷
別の例において、腎不全を示す患者は、血液から老廃物及び余分な流体を取り除くために透析を週に３回受けている。医師は、患者又は適合した健康なドナー腎臓から腎生検を受け取り、Ｐｒｅｌｌｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃｓに腎生検を提供する。Ｐｒｅｌｌｉｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃｓは腎生検から抽出した細胞を培養し、インビトロで、間葉系幹細胞及び脱分化した尿細管上皮細胞を含むがこれらに限定されない成体の腎臓始原細胞集団を拡大させる。腎臓の毛細管系は、内皮細胞を含む細胞含有媒体、及び１ｍｇ／ｍＬのコラーゲンメタクリレート及び５０％ｗ／ｖのポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）の混合物のレーザーで誘導された重合を使用して、成体の腎臓脈管構造系のＣＡＤモデルから印刷される。印刷された脈管構造は、機能性の脈管構造が実証されるまで、内皮細胞培地を使用して、生理学的条件下で維持される。一旦、機能性の脈管構造が実証されると、ネフロンの細管構造は、間葉系幹細胞、尿細管上皮細胞、及び感光性細胞外マトリックス（ＥＣＭ）構成要素を含む、細胞含有媒体を使用して、脈管構造系の中及びそのまわりで印刷される。ＥＣＭ構成要素は、複数の潅流可能な開いた内腔を持つ３Ｄ曲細管構造へと印刷される。間葉系幹細胞及び尿細管上皮細胞は、ＥＣＭスキャフォールドのまわりに集密的な上皮組織の単層を形成する。印刷された細管の固有の３Ｄ幾可学的形状と組み合わせた、モルフォゲン及び成長因子の制御された潅流は、機能性のネフロンの構成要素の各々を形成する、成熟し偏光された腎臓上皮細胞へと分化を向ける。機能性の印刷された腎臓は少なくとも２００，０００のネフロンユニットを含む。機能及び組織生存度は、患者への移植前に試験される。三次元の機能性の印刷された腎臓は、患者への移植のために医師に返却される。
実施例４−細胞化した（Ｃｅｌｌｕｌａｒｉｚｅｄ）三次元（３Ｄ）の非透過性微小血管系構造のホログラフィック印刷
別の例において、本明細書に提供される３Ｄ印刷の方法及びシステムを使用して、図４８Ａ−４８Ｅに示されるように、細胞化した３Ｄの非透過性微小血管系構造を印刷した。図４８Ａは、印刷の最初の工程の１つにおける３Ｄ微小血管系構造の平面図を示す。多光子エネルギービーム（１２０）を使用して、媒体へと３Ｄ微小血管系構造のホログラムを（トップダウンの様式で）投影する。媒体は、細胞培養培地、コラーゲンメタクリレート、ＰＥＧＤＡ、エオシンＹ、及び細胞（５０６）を含有していた。細胞（５０６）は内皮細胞を含んでいた。図４８Ａに示されるように、３Ｄ微小血管系構造の内部管（１０４）の直径は約１０ミクロン（μｍ）であり、３Ｄ印刷プロセスの初期の工程で完了された。図４８Ｂは、その後にプロセスで形成し始めたときの、３Ｄ微小血管系構造の外部管（１０２）の平面図を示す。外部管（１０２）の直径は約５０μｍであった。完成した３Ｄ血管構造は、図４８Ｃに示されるように、インサイツで重合され、その構造のまわりの細胞（５０６）を捕捉する間に、外部管（１０２）の内部で内部管（１０４）を形成した。ホログラフィック印刷された最終的な管長は約２５０〜３００μｍの長さに及んだ。図４８Ｄは、内部管（１０４）及び外部管（１０２）を含む、３つの微小血管系構造の蛍光画像である。３つの３Ｄ印刷された微小血管系構造は、微小血管系構造内で捕捉される蛍光標識された細胞（５０６）を示した。図４８Ｅは、細胞（５０６）を含有している３つの３Ｄ印刷された微小血管系構造の明視野画像を示す。３つの３Ｄ印刷された微小血管系構造は、生理学的な細胞培養条件下に配され、ホログラフィック印刷の５日後に明視野で画像化された。３Ｄ微小血管系構造は培養の５日後に染料（図４８Ｅに示される暗い領域）を含有しており、このことは、３Ｄ微小血管系構造が小分子を通さず、細胞全体が印刷された微小血管系構造の内部で保持されたことを示している。
実施例５−ホログラフィック印刷を使用した細胞含有構造の生成
別の例において、本明細書に提供される３Ｄ印刷の方法及びシステムを使用して、図４９Ａ−４９Ｈに示されるように、細胞含有構造を印刷した。図４９Ａは、コンピュータが細胞含有構造の三次元（３Ｄ）画像を生成したことを示す。その後、コンピュータプロセッサは、図４９Ｂに示される細胞含有構造の３Ｄ画像のポイントクラウド表現を生成するようにプログラムされた。コンピュータプロセッサは更に、本明細書に提供されるアルゴリズムによって、ポイントクラウド表現を図４９Ｃに示されるホログラムに変換するようにプログラムされた。ポイントクラウド表現及びホログラムは、３Ｄ細胞含有構造を印刷するためのコンピュータ命令を生成するために使用され；これらのコンピュータ命令は図４９Ｄに示されるコンピュータ印刷システムに中継された。図４９Ｅに示されるように、レーザービームは、少なくとも１つのポリマー前駆体を含んでいた液体印刷媒体（１２６）に浮遊された生細胞（５０６）のクラスタを含有している媒体チャンバ（図４９に示されない）に向けられた。図４９Ｆは、ポイントクラウド表現の三次元印刷後の生細胞（５０６）の同じクラスタを示す。この例における印刷視野を、ユーザーによって細胞クラスタに集中させた。図４９Ｇは、印刷された３Ｄの細胞含有構造の内部の細胞（５０６）を示す切断画像を示す。図４９Ｈは、３Ｄの細胞含有構造の完全な印刷の代表的な画像を示す。細胞含有構造全体を約７秒で印刷した。
実施例６−３Ｄ「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」のホログラフィック印刷
別の例において、本明細書に提供される３Ｄ印刷の方法及びシステムを使用して、図５０Ａ−５０Ｃに示されるように、三次元（３Ｄ）「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」構造を印刷した。「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」とは、一般的なコンピュータグラフィックス３Ｄ試験モデルである。図５０Ａは、コンピュータが「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の三次元（３Ｄ）画像を生成したことを示す。図５０Ｂは、コンピュータで作成された「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の３Ｄ画像の平面図を示す。コンピュータプロセッサは、「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の３Ｄ画像のポイントクラウド表現を生成するようにプログラムされ、ポイントクラウド表現はホログラムに変換された。レーザービームは、少なくとも１つのポリマー前駆体（図５０に示されない）を含む液体印刷媒体を含有している媒体チャンバへと向けられた。図５０Ｃは、明視野顕微鏡検査を使用して画像化されるような「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の代表的な３Ｄ印刷を示す。「Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｂｕｎｎｙ」の３Ｄ構造全体を、約６０秒で印刷した。
実施例７−二光子依存性プロセスとしてのホログラフィック印刷の実証
別の例において、図５１Ａ−５１Ｂは、２つの異なる製剤のホログラフィック印刷に相当する、二光子レーザービーム露光時間（ミリ秒）対レーザー力（ワット）のグラフを示す。二光子吸収は二次プロセスであり、同一又は異なる周波数の二光子は、１つの状態からより高い電子状態へと分子を励起するために吸収される。図５１Ａ−５１Ｂは、二光子依存性プロセスとしてホログラフィック印刷のプロセスを実証する；ここで、印刷サンプルへの二光子レーザー露光時間は、印刷のために記載された時間及び閾値に適合するべく、レーザーシャッタの急速な開口及び閉鎖を指示したコンピュータプロセッサによって制御された。標準の二光子吸収性のプロセスにつき、印刷に必要な露光時間は、二乗された力で分割された固有の印刷物質特性に比例する。図５１Ａは、少なくとも約３０％のＰＥＧ−ＤＡ、０．５％のエオシンＹ、及び１ｍｇ／ｍＬのコラーゲンジアクリレートを含む製剤Ａにおける印刷のための閾値を示す。対数目盛における生データ点の外挿は、図５１Ａの右側のグラフに示されるように、線形減少に適合した。対数目盛グラフに示される製剤Ａの線形減少は、二次プロセスについて予想される線形減少モデルに一致した。図５１Ｂは、少なくとも約４５％のＰＥＧ−ＤＡ、０．５％のエオシンＹ、及び１ｍｇ／ｍＬのコラーゲンジアクリレートを含む製剤Ｂにおける印刷のための閾値を示す。対数目盛における製剤Ｂの生データ点の外挿は、図５１Ｂの右側のグラフに示されるように、線形減少に適合した。対数目盛グラフに示される製剤Ｂの線形減少は、二次プロセスについて予想される線形減少モデルに対応した。
実施例８−ホログラフィック印刷を使用した標的単細胞の封入
別の例において、本明細書に提供される３Ｄ印刷の方法及びシステムを使用して、図５２Ａ−５２Ｃに示されるように、標的単細胞の封入を実行した。図５２Ａは、少なくとも１つのポリマー前駆体を含む印刷媒体に漂う、複数の封入された細胞及び封入されていない細胞を示す。例えば、第１の封入された細胞（１４２ａ）、第２の封入された細胞（１４２ｂ）、第３の封入された細胞（１４２ｃ）、第１の封入されていない細胞（１４４ａ）、第２の封入されていない細胞（１４４ｂ）、及び第３の封入されていない細胞（１４４ｃ）が、図５２Ａに示される。図５２Ｂは、第１の封入された細胞（１４２ａ）、第２の封入された細胞（１４２ｂ）、及び第３の封入された細胞（１４２ｃ）のズームイン画像を示す。これらの細胞は、本明細書で提供される方法及びシステムを使用してホログラフィック印刷された約２５ミクロン（μｍ）の直径を有する３Ｄポリマー球体によって封入された。図５２Ｃは、第１の封入されていない細胞（１４４ａ）、第２の封入されていない細胞（１４４ｂ）、及び第３の封入されていない細胞（１４４ｃ）のズームイン画像を示す。封入されていない細胞は、それらのまわりの３Ｄ球体のホログラフィック印刷にはさらされなかった。３Ｄホログラムは、封入事象１つ当たり最大約５０ミリ秒（ｍｓ）の間、個々の細胞（例えば第１の封入された細胞（１４２ａ））上へと投影された。
実施例９−ホログラフィック画像を投影する拡大レーザービーム
別の例において、３Ｄ印刷システムの代表的な画像が図５３に示され；特に、ホログラフィック画像を投影する拡大レーザービームが示される。図５３は、印刷ヘッドの後部開口部上へとホログラフィック形態でパターン化された拡大レーザービームとして投影されたときの、１０３５ｎｍの波長（即ち、遠赤外線スペクトルの波長）を持つレーザービームを示す。本実施形態において、印刷ヘッドは標準の生理学的等級の顕微鏡対物レンズであった。図５３に示される画像は、長時間の露光を使用して得られ、一方で赤外線検出レーザーカードは可視域において光路を照射するように光路を流れた。
実施例１０−様々なレーザー印刷モード
別の例において、図５４Ａ−５４Ｄは、単一光子及び多光子の印刷プロセスのオプティックス、及び予想される構造的な結果に基づく、異なるレーザー印刷モードを例示する。図５４Ａは、感光性印刷媒体を含有する媒体チャンバへの単一光子レーザービームの投影を例示する。単一光子レーザービームの投影は、焦点の意図した面の遮蔽化又は単離なしに図５４Ａにて示され、これは光円錐全体の形状で印刷された構造を後に残すと予測され得る。図５４Ｂは多光子吸収プロセスを例示し、ここで、光子密度は焦点にて十分に高く、感光性印刷媒体を含有する媒体チャンバにおいてピンポイント構造のみを後に残す。図５４Ｃは、ｘ、ｙ、及びｚ面の焦点の多数の点にて多光子の吸収プロセスが生じるホログラムを生成するために形成される波面の、代表的な図を例示する。本実施形態において、完全な構造の３Ｄ投影されたホログラム部分間の急速な切り替えを使用して、完全な構造を構築し得る。図５４Ｄは、複雑な構造のホログラフィック印刷を可能とする、複数面での完全な画像投影（即ち、３Ｄホログラム）を例示する。一例として図５４Ｄに示される複雑な構造は、内部管及び外部管を持つ微小血管系構造である。
実施例１１−以前に印刷された３Ｄ微小血管系構造内の球体のホログラフィック印刷
別の例において、本明細書に提供される３Ｄ印刷の方法及びシステムを使用して、図５５Ａ−５５Ｆに示されるように、以前に印刷された３Ｄ微小血管系構造内の球体を印刷した。図５５Ａは、中空のチューブ構造を含む印刷された微小血管系構造を例示し、図５５Ｂに示される画像に対応する。図５５Ｂは、球体の印刷前の印刷された微小血管系構造の画像を示す。図５５Ｃ−５５Ｄに示されるように、近赤外線波長を持つ多光子エネルギービーム（１２０）を使用して、微小血管系構造の中空管の中心へと球体のホログラムを投影した。微小血管系構造は、コラーゲンメタクリレート、ＰＥＧＤＡ、及びエオシンＹを含む媒体内で浮遊させられた。図５５Ｆは、（破線で描かれた）球体が分裂なしに微小血管系構造の内腔内に堆積したことを示す。図５５Ｅは、図５５Ｆに示される画像を例示する。球体は、最大約５ミリ秒（ｍｓ）で全体がホログラフィック印刷された。
実施例１２−３Ｄ微小血管系ベッドのホログラフィック印刷
図５６Ａ−５６Ｂは、本明細書で提供される方法及びシステムを使用して印刷されたポリマー脈管構造ベッドを示す。図５６Ａは、ホログラフィック印刷プロセス中の脈管構造ベッドの画像を示す。照射された領域は、媒体上へと３Ｄ微小血管系ベッドのホログラムを投影する多光子レーザービームに相当する。媒体はポリマー前駆体及び光重合開始剤を含んでいた。図５６Ｂは、ホログラフィック印刷プロセス完了後の３Ｄ微小血管系ベッドの明視野画像を示す。
本発明の好ましい実施形態が本明細書中で示され且つ記載されてきたが、このような実施形態はほんの一例として提供されるものであることは、当業者に明らかであろう。本発明が明細書内で提供される特異的な例によって制限されることは、意図されていない。本発明は前述の明細書に関して記載されているが、本明細書中の実施形態の記載及び例示は、限定的な意味で解釈されることを目的としていない。多数の変形、変更、及び置き換えは、本発明から逸脱することなく、当業者によって現在想到されるものである。更に、本発明の全ての態様は、様々な条件および変数に依存する、本明細書で述べられた特定の描写、構成、又は相対的比率に限定されないことが理解されるだろう。本明細書に記載される本発明の実施形態の様々な代案が、本発明の実施において利用されるかもしれないことを理解されたい。それ故、本発明は、任意のそのような代替案、修正、変形、又は同等物にも及ぶことが考えられる。以下の特許請求の範囲は本発明の範囲を定義するものであり、この特許請求の範囲及びその同等物の範囲内の方法及び構造は、それにより包含されることが、意図されている。

Claims (130)

  1. 三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法であって、
    （ａ）（ｉ）複数の細胞及び（ｉｉ）１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程；及び
    （ｂ）（ｉ）前記複数の細胞の少なくとも部分集合、及び（ｉｉ）１つ以上の前記ポリマー前駆体から形成されたポリマーを含む前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質を印刷するためにコンピュータ命令に従って、３Ｄ投影へとパターン化される少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバ中の前記媒体に、少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程
    を含むことを特徴とする、方法。
  2. 前記生体物質は生物学的に機能性の組織へと発達する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. （ｂ）の前に、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程、及び、コンピュータ命令を生成するために前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を使用する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を画像に変換する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記画像はホログラフィック様式で投影される、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記画像は、ホログラフィック様式での投影前に分解され且つ再構成される、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現は、前記３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  8. 前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現は二次元で構造要素を含み、前記構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現は三次元で構造要素を含み、前記構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
  10. 前記少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 前記少なくとも１つのエネルギービームはレーザーによって生成される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１つのエネルギービームは位相変調される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記１つ以上のポリマー前駆体は少なくとも２つの異なるポリマー前駆体を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するために１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って（ｂ）を繰り返す工程を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、（ｂ）で形成された３Ｄ生体物質に結合される、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、（ｂ）で形成された３Ｄ生体物質に結合されない、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. （ｂ）は更に、前記媒体チャンバにおける前記媒体の多数の部分が少なくとも前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部を同時に形成することを可能にするために、前記コンピュータ命令に従って、少なくとも２つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記媒体に少なくとも２つのエネルギービームを向ける工程を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  18. 前記少なくとも２つのエネルギービームは同一波長である、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 前記少なくとも２つのエネルギービームは異なる波長である、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  20. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、前記複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するために微小血管系を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  21. 前記微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせである、ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 前記微小血管系は約１μｍ〜約２０μｍの断面を持つ、ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  23. 前記３Ｄ生体物質は約１００μｍ〜約５ｃｍの厚み又は直径を持つ、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  24. 前記媒体は複数のビーズを更に含み、且つ（ｂ）において、前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると前記複数のビーズを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  25. 前記ビーズはシグナル分子又はタンパク質を更に含む、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 前記シグナル分子又はタンパク質は、臓器機能を可能にするために前記３Ｄ生体物質の形成を促進する、ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  27. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、前記複数の細胞の少なくとも部分集合を含む、細胞含有スキャフォールドを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  28. 前記３Ｄ生体物質は細胞含有スキャフォールドを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  29. 前記細胞含有スキャフォールドは一体となって結合される、ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 前記細胞含有スキャフォールドは、凝集して又は機械的に一体となって結合される、ことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
  31. 前記細胞含有スキャフォールドは、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクから成る群から選択された１つ以上の部材を介して機械的に一体となって結合される、ことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
  32. 前記細胞含有スキャフォールドは、複数の鎖を含むネットワークを含む、ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  33. 前記複数の鎖は、メッシュ構造、格子構造、シート構造、又はチューブ構造を形成する、ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  34. 前記複数の鎖の個々の鎖は、約０．１ｎｍ〜約５ｃｍの厚みを持つ、ことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
  35. （ｂ）に続いて、前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、前記３Ｄ生体物質の前記少なくとも一部内に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  36. 前記コンピュータ命令は、前記３Ｄ生体物質に相当する１セットの画像を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  37. 前記コンピュータ命令は、少なくとも（ｉ）前記３Ｄ生体物質の形成中に時間に応じて前記少なくとも１つのエネルギービームの１つ以上のパラメータ、及び／又は（ｉｉ）前記３Ｄ生体物質が形成されるステージの位置の調節を指示する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  38. 前記少なくとも２つの異なるタイプの細胞を形成するために、前記複数の細胞の少なくとも部分集合の少なくとも一部を分化にさらす工程を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  39. 前記複数の細胞の少なくとも部分集合は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  40. （ｂ）において、前記複数の細胞は、前記少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む、ことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
  41. 前記少なくとも１つのエネルギービームは多光子エネルギービームである、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  42. 前記多光子エネルギービームは二光子エネルギービームである、ことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
  43. 前記媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  44. 三次元（３Ｄ）生体物質を印刷する方法であって、
    （ａ）第１の複数の細胞及び第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体を含む、媒体チャンバを提供する工程；
    （ｂ）前記３Ｄ生体物質の第１の部分を形成するべく前記媒体チャンバにおける前記第１の媒体の少なくとも一部をさらすために、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記第１の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程；
    （ｃ）前記媒体チャンバにおける第２の媒体を提供する工程であって、前記第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、前記第２の複数の細胞は前記第１の複数の細胞とは異なるタイプである、工程；及び
    （ｄ）前記３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく前記媒体チャンバにおける前記第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、前記コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記第２の媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程
    を含むことを特徴とする方法。
  45. 前記生体物質は生物学的に機能性の組織である、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  46. （ｄ）に続いて、前記媒体チャンバに前記３Ｄ生体物質の第１の部分を残すために、前記媒体チャンバから前記第１の媒体の残りを取り除く工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  47. 前記媒体チャンバに残る前記３Ｄ生体物質の第１の部分は、前記媒体チャンバに除去可能に固定される、ことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
  48. （ｂ）の前に、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成する工程、及び、コンピュータ命令を生成するために前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を使用する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  49. 生体構造が一次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  50. 生体構造が二次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  51. 生体構造が三次元で投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  52. 生体構造が一次元、二次元、及び／又は三次元の構造の組み合わせで投影されるように、前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現を、少なくとも１つの入射コヒーレント光源を空間的に調節するために使用される画像又は画像セットへと変換する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  53. 前記画像又は画像セットはホログラフィック様式で投影される、ことを特徴とする請求項４９乃至５２の何れか１つに記載の方法。
  54. 前記画像又は画像セットは、ホログラフィック様式での投影前に部分要素又は代表的構造へと分解され且つ再構成される、ことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
  55. 前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現は、前記３Ｄ生体物質に相当する多次元構造要素を含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  56. 前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現は二次元で構造要素を含み、前記構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる、ことを特徴とする請求項５５に記載の方法。
  57. 前記ポイントクラウド表現又はラインベース表現は三次元で構造要素を含み、前記構造要素は組織機能及び／又は細胞分離に関連付けられる、ことを特徴とする請求項５５に記載の方法。
  58. 前記少なくとも１つのエネルギービームはコヒーレント光を含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  59. 前記少なくとも１つのエネルギービームはレーザーによって生成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  60. 前記少なくとも１つのエネルギービームは位相変調される、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  61. 前記少なくとも１つのエネルギービームは位相変調され、且つサンプル媒体全体にわたってラスタースキャンされる、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  62. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、複数の細胞に１つ以上の栄養素を提供するために微小血管系を含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  63. 前記微小血管系は、血液微小血管系、リンパ性微小血管系、又はそれらの任意の組み合わせである、ことを特徴とする請求項６２に記載の方法。
  64. 前記微小血管系は約１μｍ〜約２０μｍの断面を持つ、ことを特徴とする請求項６２に記載の方法。
  65. 前記３Ｄ生体物質は約１００μｍ〜約５ｃｍの厚み又は直径を持つ、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  66. 前記第１の媒体及び／又は第２の媒体は複数のビーズを更に含み、且つ（ｂ）において、前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、形成されると前記複数のビーズを含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  67. 前記ビーズはシグナル分子又はタンパク質を更に含む、ことを特徴とする請求項６６に記載の方法。
  68. 前記シグナル分子又は前記タンパク質は、臓器機能を可能にするために前記３Ｄ生体物質の形成を促進する、ことを特徴とする請求項６７に記載の方法。
  69. 前記３Ｄ生体物質は最大約３５０時間の期間で印刷される、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  70. 前記３Ｄ生体物質は最大約７２時間の期間で印刷される、ことを特徴とする請求項６９に記載の方法。
  71. 前記３Ｄ生体物質は最大約１２時間の期間で印刷される、ことを特徴とする請求項６９に記載の方法。
  72. 前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部は、前記複数の細胞の少なくとも部分集合を含む細胞含有スキャフォールド含む、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  73. 前記３Ｄ生体物質は、形成されると複数の細胞含有スキャフォールドを含む、ことを特徴とする請求項７２に記載の方法。
  74. 前記複数の細胞含有スキャフォールドは一体となって結合される、ことを特徴とする請求項７３に記載の方法。
  75. 前記複数の細胞含有スキャフォールドは、接着構造を形成するために一体となって結合される、ことを特徴とする請求項７３に記載の方法。
  76. 前記複数の細胞含有スキャフォールドは機械的に一体となって結合される、ことを特徴とする請求項７３に記載の方法。
  77. 前記複数の細胞含有スキャフォールドは、ジョイント、ヒンジ、ロックジョイント及びヒンジ、Ｖｅｌｃｒｏ様の要素、スプリング、コイル、伸張の点、インターロッキングループ、ソケット、ギヤ、ラチェット、ネジ、及びチェーンリンクから成る群から選択された１つ以上の部材を介して機械的に一体となって結合される、ことを特徴とする請求項７３に記載の方法。
  78. 前記細胞含有スキャフォールドは、複数の鎖を含むネットワークを含む、ことを特徴とする請求項７３に記載の方法。
  79. 前記複数の鎖は、メッシュ構造、格子構造、シート構造、又はチューブ構造を形成する、ことを特徴とする請求項７８に記載の方法。
  80. 前記複数の鎖は、約０．１ｎｍ〜約５ｃｍの厚みを持つ、ことを特徴とする請求項７８に記載の方法。
  81. （ｄ）に続いて、前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分は、前記３Ｄ生体物質の第１の部分及び／又は前記３Ｄ生体物質の第２の部分内に形成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
  82. 前記第１の媒体及び／又は第２の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
  83. 三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するためのシステムであって、
    （ａ）複数の細胞及び１つ以上のポリマー前駆体を含む媒体を含むように構成された媒体チャンバ；
    （ｂ）前記媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び
    （ｃ）前記少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから前記３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；及び（ｉｉ）前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく前記ポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、前記コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、前記少なくとも１つのエネルギー源を向けるように個々に又は総体的にプログラムされる、コンピュータプロセッサ
    を含むことを特徴とするシステム。
  84. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し、且つ、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質を印刷するための前記コンピュータ命令を生成するべく前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を使用するように、個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  85. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を画像に変換するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項８４に記載のシステム。
  86. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で前記画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項８５に記載のシステム。
  87. 前記少なくとも１つのエネルギー源は複数のエネルギー源である、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  88. 前記複数のエネルギー源は、複数の前記少なくとも１つのエネルギービームを配向する、ことを特徴とする請求項８７に記載のシステム。
  89. 前記少なくとも１つのエネルギー源はレーザーである、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  90. 前記少なくとも１つのエネルギー源はコヒーレント光源に由来する、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  91. 前記コヒーレント光源は約３００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を含む、ことを特徴とする請求項９０に記載のシステム。
  92. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく前記少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、前記少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  93. 前記１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ軸、ｘ及びｙ面、又はｘ、ｙ、及びｚ面に沿う、ことを特徴とする請求項９２に記載のシステム。
  94. 前記媒体チャンバにおける前記媒体に前記少なくとも１つのエネルギービームを向けるための少なくとも１つの対物レンズを更に含む、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  95. 前記少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含む、ことを特徴とする請求項９４に記載のシステム。
  96. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の縁の画像を受けるように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項８３に記載のシステム。
  97. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の他の組織との結合を誘導するように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従う、ことを特徴とする請求項９６に記載のシステム。
  98. 前記複数の細胞は、少なくとも２つの異なるタイプの細胞を含む、ことを特徴と請求項８５に記載のシステム。
  99. 前記媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項８５に記載のシステム。
  100. 三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するためのシステムであって、
    （ａ）複数の細胞及び複数のポリマー前駆体を含む媒体を含むように構成された媒体チャンバ；
    （ｂ）前記媒体チャンバに少なくとも１つのエネルギービームを向けるように構成された少なくとも１つのエネルギー源；及び
    （ｃ）前記少なくとも１つのエネルギー源に動作可能に結合された１つ以上のコンピュータプロセッサであって、前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、（ｉ）コンピュータメモリーから前記３Ｄ生体物質を印刷するためのコンピュータ命令を受け；（ｉｉ）前記３Ｄ生体物質の少なくとも一部を形成するべく前記ポリマー前駆体の少なくとも一部をさらすために、前記コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、前記少なくとも１つのエネルギー源を向け；及び（ｉｉｉ）前記３Ｄ生体物質の少なくとも第２の部分を形成するべく前記媒体チャンバにおける第２の媒体の少なくとも一部をさらすために、前記コンピュータ命令に従って少なくとも１つのエネルギービーム経路に沿って前記媒体チャンバにおける前記第２の媒体に前記少なくとも１つのエネルギービームを向けるように、前記少なくとも１つのエネルギー源を向けるように構成される、コンピュータプロセッサ
    を含み、
    前記第２の媒体は第２の複数の細胞及び第２のポリマー前駆体を含み、前記第２の複数の細胞は前記第１の複数の細胞とは異なるタイプである
    ことを特徴とするシステム。
  101. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質のポイントクラウド表現又はラインベース表現を生成し、且つ、コンピュータメモリーにおける前記３Ｄ生体物質を印刷するための前記コンピュータ命令を生成するべく前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を使用するように、個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  102. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記ポイントクラウド表現又は前記ラインベース表現を画像に変換するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項１０１に記載のシステム。
  103. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、ホログラフィック様式で前記画像を投影するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項１０２に記載のシステム。
  104. 前記少なくとも１つのエネルギー源は複数のエネルギー源である、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  105. 前記複数のエネルギー源は、複数の前記少なくとも１つのエネルギービームを配向する、ことを特徴とする請求項１０４に記載のシステム。
  106. 前記少なくとも１つのエネルギー源はレーザーである、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  107. 前記少なくとも１つのエネルギー源はコヒーレント光源に由来する、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  108. 前記コヒーレント光源は約３００ｎｍ〜約５ｍｍの波長を含む、ことを特徴とする請求項１０７に記載のシステム。
  109. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の少なくとも他の部分を形成するべく前記少なくとも１つのエネルギービームを１つ以上の追加のエネルギービーム経路に沿って向けるために、前記少なくとも１つのエネルギー源を配向するように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  110. 前記１つ以上の追加のエネルギービーム経路は、ｘ軸、ｘ及びｙ面、又はｘ、ｙ、及びｚ面に沿う、ことを特徴とする請求項１０９に記載のシステム。
  111. 前記媒体チャンバにおける前記媒体に前記少なくとも１つのエネルギービームを向けるための少なくとも１つの対物レンズを更に含む、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  112. 前記少なくとも１つの対物レンズは水浸対物レンズを含む、ことを特徴とする請求項１１１に記載のシステム。
  113. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の縁の画像を受けるように個々に又は総体的にプログラムされる、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  114. 前記１つ以上のコンピュータプロセッサは、前記３Ｄ生体物質の他の組織との結合を誘導するように個々に又は総体的にプログラムされ、前記結合は前記コンピュータ命令に従う、ことを特徴とする請求項１１３に記載のシステム。
  115. 前記媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項１００に記載のシステム。
  116. 三次元（３Ｄ）物体を印刷するための方法であって、１つ以上の前駆体から形成された物質を含む前記３Ｄ物体を生成するために、１つ以上の前駆体を含む媒体に少なくとも１つのエネルギービームを向ける工程を含み、前記少なくとも１つのエネルギービームは、前記３Ｄ物体に相当する３Ｄ投影として前記媒体に向けられる、ことを特徴とする方法。
  117. 前記物質はポリマー材料である、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  118. 前記媒体は細胞又は細胞構成要素を含む、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  119. 前記１つ以上の前駆体はポリマー前駆体である、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  120. 前記１つ以上の前駆体は１つ以上の金属を含む、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  121. 前記３Ｄ投影はホログラムである、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  122. 前記媒体はグルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項１１６に記載の方法。
  123. 三次元（３Ｄ）生体物質を印刷するための方法であって、
    （ａ）前記３Ｄ生体物質の第１の部分を生成するために、（ｉ）第１の複数の細胞、及び（ｉｉ）第１のポリマー前駆体を含む第１の媒体を含む媒体チャンバに、少なくとも第１のエネルギービームを向ける工程；及び
    （ｂ）前記３Ｄ生体物質の第１の部分に隣接する前記３Ｄ生体物質の第２の部分を生成するために、（ｉ）第２の複数の細胞、及び（ｉｉ）第２のポリマー前駆体を含む第２の媒体を含む媒体チャンバに、少なくとも第２のエネルギービームを向ける工程
    を含むことを特徴とする方法。
  124. 少なくとも前記第１のエネルギービーム、及び少なくとも前記第２のエネルギービームは、同じエネルギー源由来である、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  125. 少なくとも前記第１のエネルギービーム、及び少なくとも前記第２のエネルギービームは、レーザービームである、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  126. 前記第１の複数の細胞の細胞及び前記第２の複数の細胞の細胞は、異なるタイプである、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  127. 前記第１の複数の細胞の細胞及び前記第２の複数の細胞の細胞は、同じタイプである、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  128. 前記第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は異なっている、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  129. 前記第１のポリマー前駆体及び第２のポリマー前駆体は同じである、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
  130. 前記第１の媒体及び／又は第２の媒体は、グルタチオン又はその機能変異体を更に含む、ことを特徴とする請求項１２３に記載の方法。
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