JP2020531328A - 断層逆投影による三次元造形の方法および装置 - Google Patents
断層逆投影による三次元造形の方法および装置 Download PDFInfo
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Abstract
三次元オブジェクトを生成するための方法であって、前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算することと、前記逆投影を用いて、光パターンのシーケンスを画定することと、光照射によってその材料相を変性させることができる光応答性材料を、前記光パターンの各々により、対応する個々の配向角で、かつ画定されたシーケンスに従って照射することと、を含み、これにより、前記三次元オブジェクトを物理的に再生する光応答性媒体内に三次元的な変性分布が作成され、これにより、三次元オブジェクトが作成される、方法。
Description
本発明は、光応答性材料から三次元オブジェクトを造形(付加製造)するための方法および装置に関する。具体的には、本発明は、この限りではないが、オブジェクトが断層逆投影によって生成される製造システムに関連する。
従来の付加製造では、三次元オブジェクトは、オブジェクトボリュームの点ごとの走査、または層ごとの方式のいずれかで造形される。一例として、光造形法(SLA)があり(たとえば、米国特許第5,344,298号明細書参照)、オブジェクトは、光照射下での光硬化レジストの固化によって一度に1層ずつ形成される。オブジェクトの連続する層は、たとえば、米国特許第5,344,29号明細書において提案されているような点ごとのレーザビーム走査により、または、米国特許第6,500,378号明細書に記述されているようなデジタル光処理(DLP)技術により画定されることが可能である。
これらの方法では、オブジェクトは、通常、選好的な成長方向で構築され、これにより、オブジェクトの機械的特性が異方性となることがある。DLPでは、ミラーのマトリックスを用いてオブジェクトの断面層が投影され、投影されるピクセル間の小さい部位が硬化されずに残り、硬化した層の平面とビルド方向との間に異方性が生じる(M.Monzon,Z.Ortega,A.Hernandez,R.Paz,and F.Ortega,”Anisotropy of photopolymer parts made by digital light processing,” Materials,vol.10,no.1,pp.64−,Jan.2017)。さらに、レーザスポットが層を選択的に走査して硬化するSLA法では、一部のビルドの向きが印刷されるオブジェクトの機械的特性に大きな影響を与える(R.Quintana,J.−W.Choi,K.Puebla,and R.Wicker,”Effects of build orientation on tensile strength for stereolithography−manufactured ASTM D−638 type i specimens,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology,vol.46,no.1,pp.201−215,Jan.2010)。その結果、異なる層間および層内の等方性の共有結合を確実にするために、造形されたオブジェクトの事後硬化が必要となることがある。
さらに、SLAには、連続する層ごとの処理によって印刷速度が遅いという問題がある。1つの層が照射されて硬化されると、新たな未硬化の材料層が、ビルド方向に依存してソリッド層の上方または下方に供給されなければならない。従来技術において、これは、造形中の部分を機械的に再コーティングすることによって達成され(米国特許第7,892,474号明細書および米国特許第7,438,846号明細書)、これにより、印刷速度の低下に加えて、端部分が歪むことがある。
より最近では、この再コーティング動作を回避するために、継続的液体相間印刷(CLIP)(米国特許第9,360,757号明細書)と呼ばれる新規アプローチが開発されている。CLIPは、ポリマープールの光透過性窓と構築された部分との間の、ポリマーの永続的な酸素抑制液体層の形成に依存する。構築される部分の上向きの動きは、永続的な液体ポリマー層を補充する吸引力をもたらす。CLIPの場合、パーツの生成が速まり、かつその継続性も高まるが、それでもなお、一度に硬化されるビルド領域が1つの薄層でしかないことにより、オブジェクトの機械的な作動およびスライシングを必要とする。さらに、CLIPでは、液体ポリマーの動的粘度が、構築された部分の下方へ永続的な液体層を補充する時間を駆動するという理由で、印刷速度を制限する。
その結果、オブジェクトを歪ませ得る、または汚染し得るビルド領域の段階的な機械的作動を伴わず、かつ造形プロセスを遅らせ得る光応答性材料の動きを伴わない、三次元オブジェクトの造形方法が必要とされている。さらに、オブジェクトを迅速かつ等方的に生成し、かつ端部の機械的特性を低下させ得る層ごとでの動作を行わない造形プロセスが必要とされている。
発明の概要
第1の態様において、本発明は、三次元オブジェクトを生成するための方法を提供し、本方法は、
a.前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算することと、
b.前記逆投影を用いて、光パターンのシーケンスを画定することと、
c.光照射によってその材料相を変性させることができる光応答性材料を、前記光パターンの各々により、対応する個々の配向角で、かつ画定されたシーケンスに従って照射することと、を含み、これにより、前記三次元オブジェクトを物理的に再生する光応答性媒体内に三次元的な変性分布が作成され、これにより、三次元オブジェクトが作成される。
第1の態様において、本発明は、三次元オブジェクトを生成するための方法を提供し、本方法は、
a.前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算することと、
b.前記逆投影を用いて、光パターンのシーケンスを画定することと、
c.光照射によってその材料相を変性させることができる光応答性材料を、前記光パターンの各々により、対応する個々の配向角で、かつ画定されたシーケンスに従って照射することと、を含み、これにより、前記三次元オブジェクトを物理的に再生する光応答性媒体内に三次元的な変性分布が作成され、これにより、三次元オブジェクトが作成される。
ある好ましい実施形態において、前記逆投影は、下記のリスト、
ラドン変換、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
ファンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
コーンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
逐次再構成技法、
代数的再構成技法、または、
回折断層撮影アルゴリズム、
のうちのいずれか1つを用いて計算される。さらなる好ましい実施形態において、本方法は、前記光応答性媒体を下記のリスト、
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、または、
これらの組合せ、
から用意することを含む。
ラドン変換、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
ファンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
コーンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
逐次再構成技法、
代数的再構成技法、または、
回折断層撮影アルゴリズム、
のうちのいずれか1つを用いて計算される。さらなる好ましい実施形態において、本方法は、前記光応答性媒体を下記のリスト、
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、または、
これらの組合せ、
から用意することを含む。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の、前記光パターンによる前記照射より前の位相は、
液相、
固相、
ゲル相、
である。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、前記光パターンが通って伝播される前記光応答性材料の前記ボリュームの最大厚さによって、前記光パターンの強度の最大90%が吸収されるような濃度の前記光開始剤を含む。
液相、
固相、
ゲル相、
である。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、前記光パターンが通って伝播される前記光応答性材料の前記ボリュームの最大厚さによって、前記光パターンの強度の最大90%が吸収されるような濃度の前記光開始剤を含む。
さらなる好ましい実施形態において、本方法は、マルチマテリアル三次元オブジェクトを生成するためのさらなるステップ、
a.前記光応答性材料の未硬化部を除去して、前記三次元オブジェクトを別の光応答性材料に浸漬するステップと、
b.前記計算するステップ、照射するステップおよび除去するステップを、前記マルチマテリアル三次元オブジェクトが生成されるまで反復するステップと、
を含む。
a.前記光応答性材料の未硬化部を除去して、前記三次元オブジェクトを別の光応答性材料に浸漬するステップと、
b.前記計算するステップ、照射するステップおよび除去するステップを、前記マルチマテリアル三次元オブジェクトが生成されるまで反復するステップと、
を含む。
第2の態様において、本発明は、光応答性材料から三次元オブジェクトを生成するためのシステムを提供し、本システムは、
制御された空間的光パターンを発することができる第1の投影ユニットと、
前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算するための手段であって、前記逆投影は、前記制御された光パターンを画定するために使用される、手段と、
前記光パターンに対して光透過性である容器であって、前記容器は、一定容量の光応答性材料を入れるように意図され、かつ前記容器および前記意図された光応答性材料は、ビルドボリュームを画定し、
これにより、第1の投影ユニットは、前記ビルドボリュームを前記制御された光パターンで照射するようにシステム内に配置される、容器と、
異なる配向角に対応する方向からの制御された光パターンの照射による逆投影シーケンスの計算を実行するために、前記第1の投影ユニットの照明範囲内で前記ビルドボリュームを回転すること、もしくは、前記第1の投影ユニットを前記ビルドボリュームに対して回転すること、またはこれらの双方の回転の組合せ、のいずれかによって、前記光パターンの、前記ビルドボリュームに対する入射方向を制御可能式に変更するための、前記第1の投影ユニットと機能的に関連づけられる方向変更手段と、を備え、これにより、光応答性媒体の三次元的変性分布が作成され、かつ三次元オブジェクトが作成される。
制御された空間的光パターンを発することができる第1の投影ユニットと、
前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算するための手段であって、前記逆投影は、前記制御された光パターンを画定するために使用される、手段と、
前記光パターンに対して光透過性である容器であって、前記容器は、一定容量の光応答性材料を入れるように意図され、かつ前記容器および前記意図された光応答性材料は、ビルドボリュームを画定し、
これにより、第1の投影ユニットは、前記ビルドボリュームを前記制御された光パターンで照射するようにシステム内に配置される、容器と、
異なる配向角に対応する方向からの制御された光パターンの照射による逆投影シーケンスの計算を実行するために、前記第1の投影ユニットの照明範囲内で前記ビルドボリュームを回転すること、もしくは、前記第1の投影ユニットを前記ビルドボリュームに対して回転すること、またはこれらの双方の回転の組合せ、のいずれかによって、前記光パターンの、前記ビルドボリュームに対する入射方向を制御可能式に変更するための、前記第1の投影ユニットと機能的に関連づけられる方向変更手段と、を備え、これにより、光応答性媒体の三次元的変性分布が作成され、かつ三次元オブジェクトが作成される。
さらなる好ましい実施形態において、前記第1の投影ユニットは、光源と、空間光変調器、デジタル・マイクロミラー・デバイス、ガルバノスキャナまたは音響光学偏向器のうちの少なくとも1つと、を備える。
さらなる好ましい実施形態において、前記光源は、レーザ、複数のレーザの組合せまたはLEDを含むリストのうちのいずれか1つを備える。
さらなる好ましい実施形態において、前記第1の投影ユニットは、LEDアレイを備える。
さらなる好ましい実施形態において、本システムは、前記ビルドボリュームおよび前記第1の投影ユニットと機能的に関連づけられるコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記ビルドボリュームを回転軸の回りで回転させ、かつ同時に、前記三次元オブジェクトが形成されるまで、前記ビルドボリュームを光パターンのシーケンスで照明する。
さらなる好ましい実施形態において、本システムは、下記のリスト、
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、
これらの組合せ、
のうちのいずれか1つを備える光応答性材料をさらに含む。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の、前記光パターンによる前記照射より前の位相は、
液相、
固相、
ゲル相、
を含むリストのうちのいずれか1つである。
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、
これらの組合せ、
のうちのいずれか1つを備える光応答性材料をさらに含む。さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の、前記光パターンによる前記照射より前の位相は、
液相、
固相、
ゲル相、
を含むリストのうちのいずれか1つである。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、前記光パターンが通って伝播される前記光応答性材料の前記ボリュームの最大厚さによって、前記光パターンの強度の最大90%が吸収されるような濃度の前記光開始剤を含む。
さらなる好ましい実施形態において、前記第1の投影ユニットは、照明方向が前記ビルドボリュームの回転面に対して平行であるように向けられる。
さらなる好ましい実施形態では、前記第1の投影ユニットに加えて、本装置は、第2の光波長で光パターンを生成できる第2の投影ユニットを備える。
さらなる好ましい実施形態において、前記第1および第2の投影ユニットの照明方向は、前記ビルドボリュームの回転面に対して平行である。
さらなる好ましい実施形態において、前記第1および第2の投影ユニットのいずれか一方の照明方向は、前記ビルドボリュームの回転面に対して平行であり、かつもう一方の投影ユニットの照明方向は、前記ビルドボリュームの回転面に対して垂直である。
さらなる好ましい実施形態において、本システムは、前記三次元オブジェクトが形成されるまで、前記ビルドボリュームが第1のシーケンスの空間光パターンにより第1の波長で照明され、かつ同時に、前記ビルドボリュームが第2のシーケンスの空間光パターンにより第2の波長で照明されるようにさらに構成される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、前記第2の光波長と相互作用して前記光応答性材料の位相を変更する前記第1の光波長の能力を選択的に妨げる光抑制剤を含む。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、二段階の光開始剤を含み、よって、前記光応答性材料は、前記第1および第2の光波長により同時に、または連続して局所的に照明されると局所的に変性されるが、前記一方の光波長のみで局所的に照明されても変性されない。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、細胞を播種される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、固体粒子で充填される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、固体粒子で充填される。
さらなる好ましい実施形態において、前記固体粒子は、下記のリスト、
セラミック粒子、
金属粒子、
ポリマー粒子、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つを含む。さらなる好ましい実施形態において、前記空間光パターンは、
点状、または、
一次元的(線形)、または、
二次元的(平面)、または、
三次元的(容量的または「ホログラフィ的」)、
である。
セラミック粒子、
金属粒子、
ポリマー粒子、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つを含む。さらなる好ましい実施形態において、前記空間光パターンは、
点状、または、
一次元的(線形)、または、
二次元的(平面)、または、
三次元的(容量的または「ホログラフィ的」)、
である。
さらなる好ましい実施形態において、前記システムは、下記のリスト、
前記光応答性材料の温度を制御するための温度制御手段、
前記光応答性材料の湿度を制御するための湿度制御手段、
前記光応答性材料内の酸素濃度を制御するための酸素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の二酸化炭素濃度を制御するための二酸化炭素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の窒素濃度を制御するための窒素濃度制御手段、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つをさらに含む。さらなる好ましい実施形態では、前記ビルドボリュームを前記1つまたは複数の投影ユニットの照明範囲に対して垂直に変位させるために、コントローラが前記ビルドボリュームと機能的に関連づけられる。
前記光応答性材料の温度を制御するための温度制御手段、
前記光応答性材料の湿度を制御するための湿度制御手段、
前記光応答性材料内の酸素濃度を制御するための酸素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の二酸化炭素濃度を制御するための二酸化炭素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の窒素濃度を制御するための窒素濃度制御手段、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つをさらに含む。さらなる好ましい実施形態では、前記ビルドボリュームを前記1つまたは複数の投影ユニットの照明範囲に対して垂直に変位させるために、コントローラが前記ビルドボリュームと機能的に関連づけられる。
さらなる好ましい実施形態において、前記光パターンは、前記光応答性材料の沈降の効果に合わせて補正される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光パターンは、前記ビルドボリュームの、前記光パターンの入射方向に対するミスアラインメントの効果に合わせて補正される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光パターンは、前記光応答性材料内部における光吸収の効果に合わせて補正される。
さらなる好ましい実施形態において、本システムは、前記三次元オブジェクトの形成後、
残りの光応答性媒体が前記ビルドボリュームから除去される間に、前記三次元オブジェクトが前記ビルドボリューム内へ保持され、
前記第1の光応答性媒体とは異なる第2の光応答性媒体が、前記光透過性容器に充填され、
先行するいずれかの請求項に記載の方法により、前記第2の光応答性媒体から第2の三次元オブジェクトが形成される、
ようにさらに構成される。
残りの光応答性媒体が前記ビルドボリュームから除去される間に、前記三次元オブジェクトが前記ビルドボリューム内へ保持され、
前記第1の光応答性媒体とは異なる第2の光応答性媒体が、前記光透過性容器に充填され、
先行するいずれかの請求項に記載の方法により、前記第2の光応答性媒体から第2の三次元オブジェクトが形成される、
ようにさらに構成される。
さらなる好ましい実施形態において、本システムは、前記三次元オブジェクトを向上された精度で生成するために、前記光応答性媒体の変性が、前記光パターンによる照射中に一定間隔で記録され、これらの記録が、後続の光パターンを補正するフィードバックとして使用されるようにさらに構成される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性媒体の変性の記録は、位相差イメージング、微分干渉コントラストまたはホログラフィによって行われる。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料を入れる前記容器は、前記光応答性材料の注入および除去を自動化するようにさらに構成される。
さらなる好ましい実施形態では、前記形成される三次元オブジェクトを、それが生成された後に前記ビルドボリュームから抜き出すための手段が設けられる。
さらなる好ましい実施形態において、前記容器は、前記光応答性材料および前記形成される三次元オブジェクトを汚染しないように滅菌される。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料は、生体細胞の周りに前記三次元オブジェクトを形成する前に、前記生体細胞で充填される。
さらなる好ましい実施形態において、前記生体細胞は、未分化幹細胞である。
さらなる好ましい実施形態において、前記三次元オブジェクトは、細胞成長のための生物学的支持体を有するヒドロゲルである。
さらなる好ましい実施形態において、前記三次元オブジェクトは、細胞成長のための生物学的支持体を有するヒドロゲルである。
さらなる好ましい実施形態において、生体細胞は、前記三次元オブジェクトが形成された後に注入される。
さらなる好ましい実施形態において、前記生体細胞は、未分化幹細胞である。
第3の態様において、本発明は、前記光応答性材料が、生体細胞の周りに前記三次元オブジェクトを形成する前に前記生体細胞で充填されるシステム、または、生体細胞が前記三次元オブジェクトの形成後に注入されるシステムのいずれかに従って生成される前記形成された三次元オブジェクトにおける前記生体細胞から細胞成長の生物学的プロセスの結果として作成される、形成された生体器官を提供する。
第3の態様において、本発明は、前記光応答性材料が、生体細胞の周りに前記三次元オブジェクトを形成する前に前記生体細胞で充填されるシステム、または、生体細胞が前記三次元オブジェクトの形成後に注入されるシステムのいずれかに従って生成される前記形成された三次元オブジェクトにおける前記生体細胞から細胞成長の生物学的プロセスの結果として作成される、形成された生体器官を提供する。
さらなる好ましい実施形態において、前記形成された三次元オブジェクトは、シリアル番号で識別される。
さらなる好ましい実施形態において、前記形成された三次元オブジェクトは、異方性の機械的特性を有する。
第4の態様において、本発明は、三次元オブジェクトを再生するための方法であって
オブジェクトの三次元スキャンを取得するステップと、
三次元オブジェクトを生成するための方法のための方法に従って前記三次元オブジェクトのコピーを形成するステップと、
を含む、方法を提供する。
オブジェクトの三次元スキャンを取得するステップと、
三次元オブジェクトを生成するための方法のための方法に従って前記三次元オブジェクトのコピーを形成するステップと、
を含む、方法を提供する。
本発明は、好ましい実施形態の詳細な説明から、および図面を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
本項では、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に開示する。本項の意図は、本発明の特定の実施形態を例示することにあり、よって、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。事例によっては、「たとえば」という用語は、その可能な実施形態が限定ではなく例として与えられていることを注意喚起するものとして使用される。
本発明は、三次元オブジェクトを断層逆投影によって造形するための方法および装置を提供する。簡単に、かつ一般的に言えば、本発明は、光応答性材料内にオブジェクトを物理的に造形するために、コンピュータ断層撮影の逆投影と同様の、異なる角度に沿った一連の投影によって、形成すべき三次元オブジェクトを表現することと、光応答性材料をこれらの投影から計算される光パターンを用いてこれらの角度で照射すること、を含む。光応答性材料は、光照射に応答してその材料相を変えることができる材料である。光に照射されると光応答性材料に生じる可能性のある変性としては、この限りではないが、固化、ゲル化、液化または可溶化が含まれる。本明細書に記述する方法は、比較的短い時間(たとえば、1秒、10秒または30秒)で光応答性材料のボリューム全体を変性させ、その結果、造形されるオブジェクトの生成を高速化しかつ機械的特性をより等方的にするための手段を提供する。このプロセスに使用される特定の光応答性材料に依存して、造形されるオブジェクトは、軟らかさまたは弾性を含むがこれらに限定されない、特性を有し得る。
本発明の好ましい一実施形態において、ビルド領域は、オブジェクトを形成するために、(先に述べたように生成される)空間的に変調された光パターンのシーケンスによって同時的に照射されながら継続的な回転運動に設定される。空間的に変調された光パターンは、ビルド領域の回転軸に直交する光軸に沿って照射される。さらに、本発明の好ましい一実施形態において、空間的に変調された光パターンは、二次元であって、ビルド領域の回転軸を中心とする。本発明の少なくとも1つの実施形態において、空間的に変調された光パターンのシーケンスによるビルド領域の照射は、ビルド領域の回転運動と同期される。
ビルド領域全体を照射するために、光応答性材料における光硬化性放射線の光吸収長さは、ビルド領域の幅より長くなるように調整されることが可能である。ビルド領域の継続的な回転運動およびフォトレジストにおける最適化された光吸収長さにより、ビルド領域の局所ボリュームは、一連の異なる光強度によって照射される。したがって、局所ボリュームが形成すべきオブジェクトの一部であれば、局所ボリュームを照射する空間的に変調された光パターンは、局所ボリュームに吸収される総実効線量が材料の位相変化しきい値を超えるように計算される。逆に、局所ボリュームが形成すべきオブジェクトの一部でなければ、局所ボリュームを照射する空間的に変調された光パターンは、局所線量が材料の位相変化しきい値を下回るように計算される。本発明の好ましい一実施形態において、オブジェクトは、ビルド領域の1回転後に形成される。したがって、材料の局所ボリュームの位相は、複数の照射角度から変更され、これにより、オブジェクトに等方性の機械的特性が与えられる。
本発明の方法は、ビルド領域の回転運動中に異なる角度で表示される空間的に変調された光パターンの計算を含む。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、ビルド領域は、固定され、かつ空間光変調器は、その周りを回転する。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、2つの異なる放射波長に感応する。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料の相変化は、第1の放射波長による照射によって開始され、かつ第2の放射波長による照射によって抑止される。さらなる実施形態において、第1の波長による1つの材料の相変化は、第2の放射波長によって生じる相変化とは無関係であり、よって、物理的、機械的または化学的特性が異なる2つの物質が作成される。
異なる実施形態における回転部の回転速度は、この限りではないが、毎秒1回転であってもよい。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、ビルド領域は、温度を制御される。
本発明の少なくとも1つの実施形態では、ビルド領域の湿度が制御される。
本発明の少なくとも1つの実施形態では、ビルド領域の湿度が制御される。
本発明の少なくとも1つの実施形態では、ビルド領域の大気の含量が制御される。大気の制御には、この限りではないが、二酸化炭素含有量、もしくは酸素含有量、もしくは窒素含有量、またはこれらの任意の組合せの制御が含まれ得る。
したがって、本発明の特定の一態様は、三次元オブジェクトを形成する方法である。概して、かつこれまでに述べたエレメントを所与として、本方法は、
(a)ビルド領域を画定する光透過性容器を用意するステップと、
(b)ビルド領域を光応答性材料で満たすステップであって、この材料は、光透過性容器の壁に接触する、ステップと、
(c)1つまたは複数の放射波長の空間的に変調された光パターンの1つまたは複数のシーケンスを計算するステップと、
(d)ビルド領域または投影デバイス、空間光変調器のいずれかを回転運動に設定するステップと、
(e)ビルド領域を1つまたは複数の同期的な空間的に変調された光パターンで同時に照射して、光応答性材料の位相を選択的に変え、オブジェクトを形成するステップと、
(f)マルチマテリアル三次元オブジェクトを造形する場合、ビルド領域から未硬化の光反応性材料が除去され、ビルド領域が他の光反応性材料で満たされてステップ(c)、ステップ(d)、ステップ(e)が反復されるステップと、
を含む。
(a)ビルド領域を画定する光透過性容器を用意するステップと、
(b)ビルド領域を光応答性材料で満たすステップであって、この材料は、光透過性容器の壁に接触する、ステップと、
(c)1つまたは複数の放射波長の空間的に変調された光パターンの1つまたは複数のシーケンスを計算するステップと、
(d)ビルド領域または投影デバイス、空間光変調器のいずれかを回転運動に設定するステップと、
(e)ビルド領域を1つまたは複数の同期的な空間的に変調された光パターンで同時に照射して、光応答性材料の位相を選択的に変え、オブジェクトを形成するステップと、
(f)マルチマテリアル三次元オブジェクトを造形する場合、ビルド領域から未硬化の光反応性材料が除去され、ビルド領域が他の光反応性材料で満たされてステップ(c)、ステップ(d)、ステップ(e)が反復されるステップと、
を含む。
したがって、本発明の方法は、ビルド領域に入る機械的エレメントがないという利点を有し、これにより、有害物質でビルド領域を汚染するリスクが低減される。さらに、オブジェクトの形成が光吸収に基づくものであることから、本発明は、完全に非侵襲的である。したがって、本発明の少なくとも1つの実施形態において、ビルド領域を画定する光透過性容器は、生体器官などだがこれに限定されない、造形オブジェクトを用いて生体操作を行うために滅菌され、かつ使い捨てである。
さらに、オブジェクトのボリュームを即座に形成すること、およびビルド領域へ機械的作動が入らないことには、造形プロセスを高速化し、端部が歪むリスクを減らし、かつ端部へ等方的な機械的特性を与えるという利点がある。
1.好ましい実施形態
本発明の好ましい一実施形態を、図1に示す。図1Aは、斜視図であり、図1Bは、平面図である。
本発明の好ましい一実施形態を、図1に示す。図1Aは、斜視図であり、図1Bは、平面図である。
投影ユニット10は、制御可能な光11のパターンを生成し、光11のパターンは、光応答性材料12へ方向づけられる。光応答性材料12は、光の波長に対して光透過性であるコンテナ13の内部に保持される。このコンテナ13は、回転プラットフォーム14上に固定され、よって、光応答性材料12の光11のビームに対する向きは、連続的または増分段階的に、一方または双方の回転方向で制御可能に変えられ得る。光応答性材料12の回転に伴って、投影ユニット10により生成されるパターン(図1Aには図示されていない)は、光応答性材料12の所望されるボリュームが照明されるように変えられる。図1Bでは、光応答性材料12の変性された部分が黒点15で表されている。支持構造体16上には、この実施形態の様々なコンポーネントが搭載されているが、この特定の設計は、決定的なものではなく、様々な構成を想定することができる。
コンテナ13および光応答性媒体12は、合わせてビルドボリュームを形成する。コンテナ13は、たとえば、ガラスもしくはプラスチックまたは任意の光透過性材料で作られる円筒バイアルであってもよい。ビルド領域は、たとえば、幅1cm〜幅15cm、および高さ1cm〜高さ15cmであってもよい。
光応答性材料12における光変化性放射線の波長における光吸収長さは、たとえば、ビルドボリュームの幅より長くなるように調整されてもよい。
投影ユニット10は、空間的な光パターンを生成し得るデバイスである。投影ユニット10は、たとえば、LEDアレイなどの直接変調可能な光源を含んでもよく、または、空間光変調器と組み合わされる、固定的な空間プロファイルを有する光源(レーザまたはLEDなど)を含んでもよい。空間光変調器は、ガルバノスキャナ、液晶空間光変調器またはデジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)から成ってもよい。生成される光のパターンは、ゼロ次元的(点)、一次元的(線)、二次元的(画像)または三次元的(ホログラム)であってもよい。当業者には、投影ユニット10が追加の光学エレメント、たとえば、円筒コンテナに起因して生じる歪みを補正するための円筒レンズ、またはビルドボリューム内部に光パターンを精確に投影するためのリレーレンズ、を組み込み得ることが理解されるであろう。
2.本方法における原理の例証
光応答性材料の投影ユニットに対する向きを変える理由を、図2、すなわち図2Aおよび図2Bに略示する。光ビーム20が光応答性材料22の静的コンテナ21内へ方向づけられる場合、光応答性媒体22上の影響される長さを正確に制御することはできない。図2Aに示すように、光ビーム20は、コンテナ21の全長に渡って光応答性材料22に影響する。これにより、光ビーム20の方向へ横断する平面における二次元プロファイルは制御できるが、光ビーム20の伝播方向に沿ったその深さプロファイルは制御不能であってコンテナの深さ全体に広がる、3D印刷されたオブジェクトが産生される。本例における、結果的に生じるオブジェクトを図2Bに示す。
光応答性材料の投影ユニットに対する向きを変える理由を、図2、すなわち図2Aおよび図2Bに略示する。光ビーム20が光応答性材料22の静的コンテナ21内へ方向づけられる場合、光応答性媒体22上の影響される長さを正確に制御することはできない。図2Aに示すように、光ビーム20は、コンテナ21の全長に渡って光応答性材料22に影響する。これにより、光ビーム20の方向へ横断する平面における二次元プロファイルは制御できるが、光ビーム20の伝播方向に沿ったその深さプロファイルは制御不能であってコンテナの深さ全体に広がる、3D印刷されたオブジェクトが産生される。本例における、結果的に生じるオブジェクトを図2Bに示す。
本発明の基本原理を、図3、すなわち図3A〜図3Jに示す。図3Aには、光応答性材料30およびそのコンテナ31の断面が示されている。コンテナ31は、(矢印で示すように)回転可能である。光ビーム32は、コンテナ31の内部へ方向づけられる。したがって、光応答性材料30の内部に所定量の光が滞積される。図3Bでは、この線量を灰色の陰影部分で表している。光の投影は、短時間の後に中断され、よって、光応答性材料30は、まだその代替形態まで転化されていない。たとえば、光応答性材料30が、放射線による照明下で重合するフォトポリマー材料であれば、投影は、重合しきい値を遙かに下回る照明線量で停止される。試料は、次に、図3Cに示すように回転される。これで、図3Dに示すように、先に照明されたボリュームが照明方向に対するその向きを変えている。次に、光応答性材料30は、図3Eに示すように、異なる方向から照明される。こうすることで、所定のボリュームの光応答性材料を再び曝露することが可能であり(図3Eでは、濃い陰影で表されている)、一方で、試料の他のボリュームは、単一の低い照射線量(図3Eにおける、より薄い陰影)のみを受ける。2度目の曝露後、プロセスは、図3Fおよび図3Gに示すように試料をさらに回転させ、かつ図3Hに示すように光応答性材料を新たな向きから照明することによって反復されることが可能である。異なる全ての向きからの全ての投影の累積により、図3Iにおける暗い陰影部分で例示されるような、光応答性材料のどの部分が代替形態へと転化されるに足る照明を受けて、図3Iにおけるより明るい陰影部分で例示されるような、どの部分が転化には不十分に曝露されているかが決定される。ここで説明しているプロセスが、より小さい回転段で、または連続的な回転運動でさえも実行され得ることは、理解される。光応答性材料の現像後、図3Jに示すように、光応答性材料31から構造体を抜き出すことができる。光応答性材料30が回転する間に光ビーム32を適切に変調することにより、光応答性材料30へ、制御された光線量分布の光が当てられる。
図3A〜図3Jは、明確を期して光応答性材料30の1つの断面のみを示しているが、このプロセスが、光応答性材料30の幾つかの層で同時に実行され得ることは、理解される。照明線量の分布は、層ごとの独立制御が可能であって、これにより、三次元構造体を作成することができる。
3.光パターンの計算
三次元オブジェクトの形成に使用される光パターンは、デジタル式に、たとえば、第1のステップにおいて、オブジェクトのコンピュータ設計による三次元モデルの密度の線積分が異なる投影角に沿って計算されるようにして、計算されることが可能である。これらの投影は、ビルド領域の回転軸に直交する軸に沿って、かつオブジェクトの一連の回転角が形成されるように行われる。次に、第2のステップでは、取得した一連のデジタルパターンがフィルタ処理されて、オブジェクトのエッジを硬化させかつ鋭利にするためのボリュームの線量が等化される。計算の後、これらのデジタルパターンが、第1項で記述した投影ユニットのうちの1つによって生成され、かつビルドボリュームの回転運動中に逆投影されてオブジェクトが形成される。当業者にとって、この計算方法は、形成すべきオブジェクトの三次元デジタルモデルのラドン変換を採用し、この変換をRam−Lakフィルタでフィルタ処理して投影の半径方向のぼけを補償し、かつ最後にフィルタ処理されたパターンをビルド領域上へ逆投影してオブジェクトを生成するものとして別段で記述され得る。光パターンを生成するためには、他の断層撮影計算法、たとえば、ファンビームアルゴリズムおよびこれに続く断層撮影再構成フィルタリング、コーンビームアルゴリズムおよびこれに続く断層撮影再構成フィルタリング、畳み込み逆投影、逐次再構成技法、代数的再構成技法、またはBornまたはRytov近似を用いる回折断層撮影アルゴリズムを使用可能であることは、理解されるべきである(たとえば、A.C.Kak,M.Slaney,”Principles of Computerized Tomographic Imaging”,IEEE Press,1988を参照されたい)。
三次元オブジェクトの形成に使用される光パターンは、デジタル式に、たとえば、第1のステップにおいて、オブジェクトのコンピュータ設計による三次元モデルの密度の線積分が異なる投影角に沿って計算されるようにして、計算されることが可能である。これらの投影は、ビルド領域の回転軸に直交する軸に沿って、かつオブジェクトの一連の回転角が形成されるように行われる。次に、第2のステップでは、取得した一連のデジタルパターンがフィルタ処理されて、オブジェクトのエッジを硬化させかつ鋭利にするためのボリュームの線量が等化される。計算の後、これらのデジタルパターンが、第1項で記述した投影ユニットのうちの1つによって生成され、かつビルドボリュームの回転運動中に逆投影されてオブジェクトが形成される。当業者にとって、この計算方法は、形成すべきオブジェクトの三次元デジタルモデルのラドン変換を採用し、この変換をRam−Lakフィルタでフィルタ処理して投影の半径方向のぼけを補償し、かつ最後にフィルタ処理されたパターンをビルド領域上へ逆投影してオブジェクトを生成するものとして別段で記述され得る。光パターンを生成するためには、他の断層撮影計算法、たとえば、ファンビームアルゴリズムおよびこれに続く断層撮影再構成フィルタリング、コーンビームアルゴリズムおよびこれに続く断層撮影再構成フィルタリング、畳み込み逆投影、逐次再構成技法、代数的再構成技法、またはBornまたはRytov近似を用いる回折断層撮影アルゴリズムを使用可能であることは、理解されるべきである(たとえば、A.C.Kak,M.Slaney,”Principles of Computerized Tomographic Imaging”,IEEE Press,1988を参照されたい)。
さらに、光パターンの生成に対しては、本開示の範囲を逸脱することなく、追加的な制約、たとえば正値性、を課すことができる。
三次元オブジェクトを画定することに加えて、空間的に変調された光パターンのシーケンスは、硬化プロセス中の光応答性材料の沈降、ビルドボリュームと照射軸との偏心およびミスアラインメント、または光応答性材料内部での光の吸収などの様々なスプリアス効果を明らかにするように補正されることが可能である。
4.光応答性材料の組成および使用法
本発明で記述している方法および装置は、光応答性材料を用いて三次元オブジェクトを形成する。本発明の好ましい一実施形態において、光応答性材料は、この限りではないが、プレポリマー、光と相互作用して光応答性材料の材料相を変えるための光開始剤、場合により、材料に弾性特性を与えるための鎖延長剤、場合により、光応答性材料の粘性を下げるための反応性希釈剤、場合により、投影ユニットからの光を吸収する顔料または染料、場合により、形成された三次元オブジェクトの弾性率および強度を修正する充填剤、またはこれらのコンポーネントの組合せを含む。光パターンのシーケンスによって照射される前の光応答性材料の位相は、この限りではないが、液相、ゲル相または固相であり得る。
本発明で記述している方法および装置は、光応答性材料を用いて三次元オブジェクトを形成する。本発明の好ましい一実施形態において、光応答性材料は、この限りではないが、プレポリマー、光と相互作用して光応答性材料の材料相を変えるための光開始剤、場合により、材料に弾性特性を与えるための鎖延長剤、場合により、光応答性材料の粘性を下げるための反応性希釈剤、場合により、投影ユニットからの光を吸収する顔料または染料、場合により、形成された三次元オブジェクトの弾性率および強度を修正する充填剤、またはこれらのコンポーネントの組合せを含む。光パターンのシーケンスによって照射される前の光応答性材料の位相は、この限りではないが、液相、ゲル相または固相であり得る。
さらなる好ましい実施形態において、前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、細胞または生体関連成分が播種される生体適合性材料である。実際に、培養組織は、医学および薬学研究においてますます重要となっているツールである。適切な幹細胞、材料および生化学的成分を組み合わせれば、対応する自然組織に酷似するオルガノイドを試験管内で成長させることが可能である。これらのオルガノイドは、疾患を研究しかつ薬物をスクリーニングするためのモデルとして使用可能である。ティッシュエンジニアリングにおける中心的課題は、幹細胞が成長するための適正な三次元微小環境を如何にして用意するかにある。幹細胞が再生しかつ分化する方法は、幹細胞を進化させる外部条件によって強く影響される。とりわけ、細胞外マトリックスの材料特性および幾何学的形状は、主たるファクタである。本開示の方法および装置を、生体関連成分を含む光応答性媒体と共に用いれば、細胞をオルガノイドまたは培養組織へと成長させるための望ましい環境を提供するオブジェクトを作成し得る。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、セラミック粒子、金属粒子、ポリマー粒子またはこれらの任意の組合せなどの固体粒子が充填される。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、場合により、投影ユニットの1つまたは複数の波長とは異なる波長の光放射を吸収する1つまたは複数の染料または顔料を包含する。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料の組成は、形成される三次元オブジェクトが部分的または完全に導電性であり得る類のものである。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料の組成は、形成される三次元オブジェクトの一部または全体が生体内で生体吸収性であり得る類のものである。このような生体吸収性光応答性材料の一例が、メタクリル化ポリ(1,12ドデカメチレンクエン酸塩)およびフマル酸ジエチルと、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドとの混合体である(van Lith,R.,Baker,E.,Ware,H.,Yang,J.,Farsheed,A.C.,Sun,C.&Ameer,G.3D−Printing Strong High−Resolution Antioxidant Bioresorbable Vascular Stents.,Adv.Mater.Technol.1,1600138(2016))。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、たとえば温度変化、三次元オブジェクトの酸性度の変化、化学処理またはこれらの組合せを適用することで溶解され得る三次元オブジェクトを形成するために使用されることが可能な類のものである。このような光応答性材料は、有利には、本発明により、鋳造用途用の犠牲モールドを形成するために使用可能である。その位相をまず固体の三次元オブジェクトを形成するように変更可能であり、次にその固相を熱処理によって液体を形成するようにさらに変更可能である液体光応答性材料の一例は、80%(v/v)のトリメチロールプロパントリアクリレート、20%(v/v)のポリ(メチルメタクリレート)−15kDaおよびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る。この例による樹脂で形成された固体の三次元オブジェクトは、160℃を超える温度で加熱されたオーブンに限定的でないが15分〜1時間オブジェクトを置くことによって溶融されることが可能である。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、光応答性材料は、光スペクトルの異なる部分に感応する複数の光開始剤を含有することができる。このような組成の光応答性材料は、有利には、本発明の方法および装置により、三次元オブジェクトを幾つかのステップで形成するために使用される可能性がある。たとえば、光応答性材料は、まず、光パターンのシーケンスにより、光応答性材料に含有される少なくとも1つの光開始剤が感応する第1の放射波長で照射されることが可能であって、三次元オブジェクトが形成される。第2に、形成された三次元オブジェクトは、光応答性材料に含有される別の光開始剤が感応する別の波長で発する光源によって照射されることが可能である。照射プロセスは、光応答性材料に含有される異なる光開始剤に適応された波長で発する光源によって反復することが可能である。幾つかの光波長に反応できる光応答性材料の一例は、青色光に感応する第1の光開始剤としての80%(v/v)トリメチロールプロパントリアクリレート、20%(v/v)ポリ(メチルメタクリレート)−15kDa、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドと、紫外光に感応する第2の光開始剤としての1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンとの混合体である。
5.複数の投影ユニット
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図4に示す。フレーム40は、制御可能に回転され得る回転プラットフォーム41を支持する。光応答性材料42は、回転プラットフォーム41上に位置決めされるコンテナ43内に保持される。フレームは、別個の2つの投影ユニット44および45も支持している。双方の投影ユニットは、照明ビームに対して光透過性であるコンテナ43を介して感光性材料42へ、独立制御可能な光パターン46および47を当てる。この実施形態において、双方の投影ユニットは、プラットフォーム41の回転面内へ向けられている。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図4に示す。フレーム40は、制御可能に回転され得る回転プラットフォーム41を支持する。光応答性材料42は、回転プラットフォーム41上に位置決めされるコンテナ43内に保持される。フレームは、別個の2つの投影ユニット44および45も支持している。双方の投影ユニットは、照明ビームに対して光透過性であるコンテナ43を介して感光性材料42へ、独立制御可能な光パターン46および47を当てる。この実施形態において、双方の投影ユニットは、プラットフォーム41の回転面内へ向けられている。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図5に示す。フレーム50は、コンテナ52およびその中の光応答性材料53が制御可能に回転され得るように、回転可能なプラットフォーム51を支持する。2つの別個の投影ユニット54および55は、一方の投影ユニット54が回転プラットフォーム51の回転面内へ向けられ、もう一方の投影ユニット55がこの回転面に対して垂直に向けられるようにして搭載される。各投影ユニットは、独立制御可能な光パターン56および57を生成することができ、これらは、光応答性材料53へと方向づけられる。
6.複数の波長
ある代替実施形態では、光パターンの一部を第1の波長で表示することができ、かつ光パターンの一部を光の第2の波長で表示することができる。したがって、光応答性材料を、各放射波長に対して異なる応答を有するように設計することができる。
ある代替実施形態では、光パターンの一部を第1の波長で表示することができ、かつ光パターンの一部を光の第2の波長で表示することができる。したがって、光応答性材料を、各放射波長に対して異なる応答を有するように設計することができる。
各波長における光パターンは、図4および図5に例示する実施形態のように、別々の投影ユニットによって作成可能である。あるいは、単一の投影ユニットを、異なる波長で投影できて、図1に例示したような構成を生み出すように考案することもできる。たとえば、異なる波長の複数光源を統合して単一の投影ユニットにする可能性もある。
波長ごとに異なる応答をする光応答性材料を用いる場合、ビルドボリュームは、各波長における光パターンによって様々に影響され得る。たとえば、光応答性材料の相変化は、第1の放射波長による照射によって開始され、かつ第2の放射波長による照射によって抑止されることが可能である。このような光応答性媒体の一例は、フォトクロミック・スピロチオピランと、N−エチルマレイミドコポリマーとの混合体である(H.Vijayamohanan,E.F.Palermo,C.K.Ullal,”A Spirothiopyran Based Reversibly Saturable Photoresist”,Chemistry of Materials,p.4754−4760,2017)。簡単に言えば、365nmの紫外線を照射すると、混合体は、マイケル付加反応によって重合を開始する。混合体が、同時に532nmの緑色の放射線で照射されると、重合反応が抑止される。別の例として、光応答性材料は、2段階の開始プロセスを通じてのみ変性されるように設計可能であり、すなわち、光反応性混合体が局所的に2つの特定の放射波長で同時に照射されれば、材料の局所ボリュームの位相が変わり始め、そうでなく、局所ボリュームが1つの特定の放射波長だけで照射されれば、材料の局所ボリュームの位相は、変わらない。
したがって、本発明は、オブジェクトを形成するための、2つ以上の異なる放射波長に感応する光応答性材料の照射プロセスを含む。よって、オブジェクトの造形は、ビルドボリュームを継続的な回転運動に設定し、同時に、これを各々が異なる放射波長を有する空間的に変調された光パターンの複数のシーケンスで照射することによって実行される。空間的に変調された光パターンのシーケンスは、同じ空間光変調器によって生成され、かつビルドボリュームを介して同じ光軸沿いに投影されることが可能であり、または、空間的に変調された光パターンのシーケンスは、異なる空間光変調器によって生成され、かつビルド領域を介して異なる光軸沿いに投影されることが可能である。
7.ビルドボリュームの拡張
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図6に示す。この場合、制御可能に回転可能なプラットフォーム60は、運動プラットフォーム61上に搭載され、運動プラットフォーム61は、垂直支持体62に沿って制御可能に並進可能であり、垂直支持体62自体は、フレーム63に固定されている。これにより、コンテナ64の異なる部分およびコンテナ内部の光応答性材料65を、同じくフレーム63に固定される投影ユニット67から到来する照明パターン66へ曝露することが可能である。この実施形態は、アドレッサブルな光応答性材料のボリュームを投影ユニットの照明範囲の限界を超えて如何に拡張できるかを例示している。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図6に示す。この場合、制御可能に回転可能なプラットフォーム60は、運動プラットフォーム61上に搭載され、運動プラットフォーム61は、垂直支持体62に沿って制御可能に並進可能であり、垂直支持体62自体は、フレーム63に固定されている。これにより、コンテナ64の異なる部分およびコンテナ内部の光応答性材料65を、同じくフレーム63に固定される投影ユニット67から到来する照明パターン66へ曝露することが可能である。この実施形態は、アドレッサブルな光応答性材料のボリュームを投影ユニットの照明範囲の限界を超えて如何に拡張できるかを例示している。
8.静止ビルドボリューム
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図7に示す。この場合、光応答性材料70およびそのコンテナ71は、フレーム73へ固定的に取り付けられた静止支持体72上に置かれている。この実施形態において、投影ユニット74は、制御可能に回転可能なプラットフォーム75上へ取り付けられている。この実施形態は、本発明の方法をビルドボリュームの運動なしにどのように適用できるかを示している。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図7に示す。この場合、光応答性材料70およびそのコンテナ71は、フレーム73へ固定的に取り付けられた静止支持体72上に置かれている。この実施形態において、投影ユニット74は、制御可能に回転可能なプラットフォーム75上へ取り付けられている。この実施形態は、本発明の方法をビルドボリュームの運動なしにどのように適用できるかを示している。
9.大気および温度制御
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図8に示す。投影ユニット80および制御可能に回転可能なプラットフォーム81は、フレーム82によって支持される。投影ユニットは、制御可能な光ビーム83を光応答性材料84およびそのコンテナ85の方向へ発する。この実施形態において、装置は、光応答性材料84の大気および温度を調整するための手段86を備える。大気および温度を調整するための手段は、同時にかつ独立して、光応答性材料を加熱する、もしくは冷却するため、光応答性材料の水分を増やす、もしくは減らすため、または、光応答性材料における大気ガスの相対圧力を変えるために使用することが可能である。ビルドボリュームの大気含量および温度のこうした制御は、光応答性媒体の粘度などのその物理的特性、および転化速度などの化学的特性、および生物学的基質としてのその存続能力に影響し得る。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図8に示す。投影ユニット80および制御可能に回転可能なプラットフォーム81は、フレーム82によって支持される。投影ユニットは、制御可能な光ビーム83を光応答性材料84およびそのコンテナ85の方向へ発する。この実施形態において、装置は、光応答性材料84の大気および温度を調整するための手段86を備える。大気および温度を調整するための手段は、同時にかつ独立して、光応答性材料を加熱する、もしくは冷却するため、光応答性材料の水分を増やす、もしくは減らすため、または、光応答性材料における大気ガスの相対圧力を変えるために使用することが可能である。ビルドボリュームの大気含量および温度のこうした制御は、光応答性媒体の粘度などのその物理的特性、および転化速度などの化学的特性、および生物学的基質としてのその存続能力に影響し得る。
10.造形プロセス
図9は、断層逆投影によるオブジェクトの三次元造形のプロセスを示すフローチャートである。本プロセスは、造形すべきオブジェクトの三次元(3D)モデルを用意すること(901)を含む。たとえば、STLまたはSTEPなどの任意の適切なコンピュータ支援設計(CAD)フォーマットの3Dモデルを含むコンピュータファイルがロードされてもよい。次に、3Dグリッド上でオブジェクトの空間分布が計算される(902)。これは、「ボクセル化」と称されることもあるステップである。次のステップでは、様々な方向に沿って空間分布の断層投影集合が計算される(903)。このステップは、専門用語で、オブジェクトの分布を表す3Dグリッドの各スライスのラドン変換を採用すること、と記述することも可能である。次に、これらの断層投影は、これらが空の3Dグリッド上へ逆投影されるものであれば、フィルタ処理された全ての投影の累積和がオブジェクトの所望される空間分布を再生するようにフィルタ処理される(904)。このプロセスは、ラドン反転として知られる。このフィルタは、「フィルタ処理された逆投影式」、「Ram−Lakフィルタ」または「ランプフィルタ」としても知られる。ステップ903およびステップ904の代替として、フィルタ処理された断層投影の等価物を取得するために他のいずれの計算方法が使用されてもよい(905)。代替アルゴリズムの例については、本開示の「光パターンの計算」という項で説明している。次に、フィルタ処理された投影に基づいて、光パターンの集合が計算される(906)。このステップは、たとえば、フィルタ処理された投影の負の値を捨て、フィルタ処理された投影を、投影ユニットで表示できるように8ビットのデジタル形式に変換すること、または、光応答性材料がたとえばポジ型フォトレジストであれば、投影を負のパターンに変換することを含んでもよい。次のステップでは、光応答性材料のボリュームが、オブジェクトが造形される場所へ提供されるものとする(907)。続いて、光応答性材料は、各光パターンにより、その対応する入射角で照射される(908)。これにより、光応答性媒体内部に、ステップ902で計算されたオブジェクトの分布を再生する変性分布が生じる。この後、造形されたオブジェクトを取り出すことができる(909)。
図9は、断層逆投影によるオブジェクトの三次元造形のプロセスを示すフローチャートである。本プロセスは、造形すべきオブジェクトの三次元(3D)モデルを用意すること(901)を含む。たとえば、STLまたはSTEPなどの任意の適切なコンピュータ支援設計(CAD)フォーマットの3Dモデルを含むコンピュータファイルがロードされてもよい。次に、3Dグリッド上でオブジェクトの空間分布が計算される(902)。これは、「ボクセル化」と称されることもあるステップである。次のステップでは、様々な方向に沿って空間分布の断層投影集合が計算される(903)。このステップは、専門用語で、オブジェクトの分布を表す3Dグリッドの各スライスのラドン変換を採用すること、と記述することも可能である。次に、これらの断層投影は、これらが空の3Dグリッド上へ逆投影されるものであれば、フィルタ処理された全ての投影の累積和がオブジェクトの所望される空間分布を再生するようにフィルタ処理される(904)。このプロセスは、ラドン反転として知られる。このフィルタは、「フィルタ処理された逆投影式」、「Ram−Lakフィルタ」または「ランプフィルタ」としても知られる。ステップ903およびステップ904の代替として、フィルタ処理された断層投影の等価物を取得するために他のいずれの計算方法が使用されてもよい(905)。代替アルゴリズムの例については、本開示の「光パターンの計算」という項で説明している。次に、フィルタ処理された投影に基づいて、光パターンの集合が計算される(906)。このステップは、たとえば、フィルタ処理された投影の負の値を捨て、フィルタ処理された投影を、投影ユニットで表示できるように8ビットのデジタル形式に変換すること、または、光応答性材料がたとえばポジ型フォトレジストであれば、投影を負のパターンに変換することを含んでもよい。次のステップでは、光応答性材料のボリュームが、オブジェクトが造形される場所へ提供されるものとする(907)。続いて、光応答性材料は、各光パターンにより、その対応する入射角で照射される(908)。これにより、光応答性媒体内部に、ステップ902で計算されたオブジェクトの分布を再生する変性分布が生じる。この後、造形されたオブジェクトを取り出すことができる(909)。
場合により、付加的なステップを行って、マルチマテリアル・オブジェクトを造形することができる。このために、プロセスは、形成された三次元オブジェクトから光応答性媒体の未変性部分を除去すること(910)をさらに含む。次に、形成された三次元オブジェクトは、別の光応答性材料に浸漬される(911)。この新しい光応答性材料が変性されるべき場所を記述するために、新たな3Dモデルがロードされる(912)。最後に、プロセスは、新たな材料について、ステップ902からステップ908までで上述のように継続される。よって、マルチマテリアル・オブジェクトを取り出すことができ(909)、または、ステップ910でプロセスを継続して新たな材料を再度付加することができる。
11.実施例
先に述べたプロセスを、様々なオブジェクトを作成することにより実証した。たとえば、図10にはばねを、図11には歯のモデルを示している。先のオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)、カンファーキノンおよびエチル−4−ジメチルアミノベンゾエートから成る樹脂から開始して印刷した。印刷時間は、40秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約1cmである。印刷したオブジェクトのさらなる例は、図12における自動車のモデル、図13における補聴器またはイヤホンデバイス用の耳型、図14における体心晶系の表現および図15における大聖堂のモデルである。図12〜図15におけるオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)およびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る樹脂から開始して印刷した。印刷時間は、30秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約2cmである。
先に述べたプロセスを、様々なオブジェクトを作成することにより実証した。たとえば、図10にはばねを、図11には歯のモデルを示している。先のオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)、カンファーキノンおよびエチル−4−ジメチルアミノベンゾエートから成る樹脂から開始して印刷した。印刷時間は、40秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約1cmである。印刷したオブジェクトのさらなる例は、図12における自動車のモデル、図13における補聴器またはイヤホンデバイス用の耳型、図14における体心晶系の表現および図15における大聖堂のモデルである。図12〜図15におけるオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)およびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る樹脂から開始して印刷した。印刷時間は、30秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約2cmである。
12.フィードバック
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図16に示す。フレーム1600は、投影ユニット1601、回転プラットフォーム1602、および光応答性媒体1604を入れている容器1603を支持する。先と同様に、光応答性媒体は、光ビームのパターン1605で照射され、この間、このビームと光応答性媒体との相対的な向きは、制御可能に回転される。照射の間、画像化システム1606は、光応答性媒体の変性を記録する。これらの記録は、光応答性媒体内部の所望される変性分布をより高い精度で達成するために、照射中に後続の光パターンを調整するフィードバックとして使用される。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図16に示す。フレーム1600は、投影ユニット1601、回転プラットフォーム1602、および光応答性媒体1604を入れている容器1603を支持する。先と同様に、光応答性媒体は、光ビームのパターン1605で照射され、この間、このビームと光応答性媒体との相対的な向きは、制御可能に回転される。照射の間、画像化システム1606は、光応答性媒体の変性を記録する。これらの記録は、光応答性媒体内部の所望される変性分布をより高い精度で達成するために、照射中に後続の光パターンを調整するフィードバックとして使用される。
光応答性媒体の変性を記録するために使用される画像化方法は、たとえば、位相差イメージング、微分干渉コントラストイメージング、ホログラフィまたは広視野イメージングであってもよい。記録に使用される光は、たとえば、光応答性媒体の変性に使用されるものと同じ光であっても、異なる光源、または周囲光であってもよい。
本発明の装置の代替的な一実施形態を、図17に示す。この場合、フレーム1700は、投影ユニット1701を支持し、投影ユニット1701は、制御された光ビームのパターン1702を光応答性媒体1704を入れている容器1703内へ送り、光応答性媒体1704の向きは、回転ステージ1705によって制御可能に変えられる。この実施形態では、追加の光源1706が別個の光ビーム1707を供給し、光ビーム1707は、光応答性媒体1704を透過する。結果的に生じる信号1708は、画像化システム1709によって記録される。先の実施形態の場合と同様に、これらの記録は、造形手順の間に光パターンを動的に調整するために使用される。
13.自動化
本開示で記述するシステムは、光応答性媒体を光透過性容器内へ自動的に供給するため、もしくは、三次元オブジェクトの造形後に光応答性媒体を容器から自動的に取り出すため、または双方のための手段によって拡張することが可能である。別の可能性としては、(たとえば、K.S.Paulsen,D.Di Carlo,A.J.Chung,”Optofluidic fabrication for 3D−shaped particles”,Nature Communications 6,article number 6976,2015に記述されている通りに)光透過性容器を介して光応答性媒体の継続的な流れを提供することがある。
本開示で記述するシステムは、光応答性媒体を光透過性容器内へ自動的に供給するため、もしくは、三次元オブジェクトの造形後に光応答性媒体を容器から自動的に取り出すため、または双方のための手段によって拡張することが可能である。別の可能性としては、(たとえば、K.S.Paulsen,D.Di Carlo,A.J.Chung,”Optofluidic fabrication for 3D−shaped particles”,Nature Communications 6,article number 6976,2015に記述されている通りに)光透過性容器を介して光応答性媒体の継続的な流れを提供することがある。
たとえば、図18に示すように、造形後にビルドボリュームから三次元オブジェクトを取り出すための手段が提供されてもよい。図18において、1801は、透明容器を表し、1802は、生成された三次元オブジェクトであり、1803は、残りの光応答性媒体であり、1804は、格子状バスケットであり、1805は、透明容器からバスケットを三次元オブジェクトと共に簡単に取り出すためのハンドルである。
14.形成された三次元オブジェクトの後処理
本発明の方法および装置を用いて形成された三次元オブジェクトは、たとえば三次元オブジェクトを洗浄してその粘着性を減らすためにさらに処理することが可能である。これは、たとえば、三次元オブジェクトをイソプロピルアルコールで満たされたコンテナに浸漬し、かつコンテナを30秒〜10分間に渡って超音波処理することによって行われてもよい。
本発明の方法および装置を用いて形成された三次元オブジェクトは、たとえば三次元オブジェクトを洗浄してその粘着性を減らすためにさらに処理することが可能である。これは、たとえば、三次元オブジェクトをイソプロピルアルコールで満たされたコンテナに浸漬し、かつコンテナを30秒〜10分間に渡って超音波処理することによって行われてもよい。
さらに、光パターンのシーケンスによって変性されなかった初期の光応答性材料の部分は、本発明の方法および装置で形成される三次元オブジェクトの細孔および管にくっつく、または入っていく場合もある。この未変性の光応答性材料の三次元オブジェクトからの除去は、三次元オブジェクトを、たとえば25g〜250gの相対遠心力で、かつたとえば30秒〜5分間の持続時間で遠心分離することによって達成されてもよい。
さらに、本発明の方法および装置で形成される三次元オブジェクトは、オブジェクトに熱処理を施すことによって強化することが可能である。三次元オブジェクトがポリマーベースの光応答性材料から作られる場合、強化用熱処理は、たとえば、次の2つのステップで構成されてもよい。第1に、形成された三次元オブジェクトをオーブンに入れ、そのガラス転移温度まで、限定的でないが15分〜2時間の持続時間に渡って加熱する。第2に、オーブンを室温(約20℃)まで戻して三次元オブジェクトを冷却させる。
15.光応答性材料の再使用可能性
本発明の少なくとも1つの実施形態では、前記ビルドボリューム内に三次元オブジェクトを形成することにより、前記光応答性材料に未変性の部分が残る。光応答性材料の未変性部分は、三次元オブジェクトの形成後、1つまたは複数の他の三次元オブジェクトの形成に使用するべく収集することが可能である。図19は、本発明の方法および装置を用いて造形された三次元オブジェクト、および本発明の方法および装置による第1の三次元オブジェクトの造形から残留する光応答性材料を示す。図19におけるオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)およびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る光応答性材料で造形されている。印刷時間は、30秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約2cmである。
本発明の少なくとも1つの実施形態では、前記ビルドボリューム内に三次元オブジェクトを形成することにより、前記光応答性材料に未変性の部分が残る。光応答性材料の未変性部分は、三次元オブジェクトの形成後、1つまたは複数の他の三次元オブジェクトの形成に使用するべく収集することが可能である。図19は、本発明の方法および装置を用いて造形された三次元オブジェクト、および本発明の方法および装置による第1の三次元オブジェクトの造形から残留する光応答性材料を示す。図19におけるオブジェクトは、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリ(メチルメタクリレート)およびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る光応答性材料で造形されている。印刷時間は、30秒であって、オブジェクトのサイズは、最大寸法で約2cmである。
16.エラストマ系器官モデル
本発明の少なくとも1つの実施形態において、軟器官モデルは、生きているヒトまたは動物の解剖学的構造の測定に基づいて造形することが可能である。図20は、本発明の方法および装置を用いて造形された三次元オブジェクトの写真を示す。このオブジェクトは、マイクロコンピュータ断層撮影によるマウスの肺動脈の測定に基づくものである。三次元オブジェクトの造形を、接触なしに、かつ支持構造体を必要とすることなく可能にする本発明は、有利には、図20に例示する小肺動脈モデルなどの中空構造体または管の造形に使用することが可能である。図20に例示されている三次元オブジェクトは、最大寸法が約2.5センチメートルであって、内径が600マイクロメートルより小さい管を含む。このオブジェクトは、オブジェクトにゴムのような引張特性を与える光応答性材料でさらに50秒造形された。オブジェクトの造形に使用される光応答性材料は、ウレタンアクリレート、イソボルニルアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレートおよびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る。この光応答性材料のゴムのような引張特性を伸び計で測定した結果を、図21に示す。
本発明の少なくとも1つの実施形態において、軟器官モデルは、生きているヒトまたは動物の解剖学的構造の測定に基づいて造形することが可能である。図20は、本発明の方法および装置を用いて造形された三次元オブジェクトの写真を示す。このオブジェクトは、マイクロコンピュータ断層撮影によるマウスの肺動脈の測定に基づくものである。三次元オブジェクトの造形を、接触なしに、かつ支持構造体を必要とすることなく可能にする本発明は、有利には、図20に例示する小肺動脈モデルなどの中空構造体または管の造形に使用することが可能である。図20に例示されている三次元オブジェクトは、最大寸法が約2.5センチメートルであって、内径が600マイクロメートルより小さい管を含む。このオブジェクトは、オブジェクトにゴムのような引張特性を与える光応答性材料でさらに50秒造形された。オブジェクトの造形に使用される光応答性材料は、ウレタンアクリレート、イソボルニルアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレートおよびビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキシドから成る。この光応答性材料のゴムのような引張特性を伸び計で測定した結果を、図21に示す。
17.異方性の機械的特性を有する三次元オブジェクトの造形
本発明の代替的な一実施形態において、形成すべきオブジェクトの三次元モデルを、結果として生じる三次元オブジェクトが異方性の機械的特性を有するように修正することが可能である。形成すべきオブジェクトの三次元モデルを修正する一例は、モデルの密度を局所的に減じることである。
本発明の代替的な一実施形態において、形成すべきオブジェクトの三次元モデルを、結果として生じる三次元オブジェクトが異方性の機械的特性を有するように修正することが可能である。形成すべきオブジェクトの三次元モデルを修正する一例は、モデルの密度を局所的に減じることである。
18.静止ビルドボリュームおよび静止投影ユニット
図22は、投影ユニットおよび応答性媒体を入れている容器が固定されている、本発明の装置の代替的な一実施形態を示している。この場合、投影ユニット2200は、制御された光パターン2210のビームを第1の反射エレメント2205上に送り、このビームが次に、光応答性媒体を入れた容器2220を照明するように配置された第2の反射エレメント2215によって反射される。前記制御された光パターン2210の、容器2220に対する向きは、前記第1の反射エレメント2205を回転することによって制御される。
図22は、投影ユニットおよび応答性媒体を入れている容器が固定されている、本発明の装置の代替的な一実施形態を示している。この場合、投影ユニット2200は、制御された光パターン2210のビームを第1の反射エレメント2205上に送り、このビームが次に、光応答性媒体を入れた容器2220を照明するように配置された第2の反射エレメント2215によって反射される。前記制御された光パターン2210の、容器2220に対する向きは、前記第1の反射エレメント2205を回転することによって制御される。
Claims (47)
- 三次元オブジェクトを生成するための方法であって、
a.前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算することと、
b.前記逆投影を用いて、光パターンのシーケンスを画定することと、
c.光照射によってその材料相を変性させることができる光応答性材料を、前記光パターンの各々により、対応する個々の配向角で、かつ画定されたシーケンスに従って照射することと、を含み、これにより、前記三次元オブジェクトを物理的に再生する前記光応答性媒体内に三次元的な変性分布が作成され、これにより、前記三次元オブジェクトが作成される、方法。 - 前記逆投影は、下記のリスト、
ラドン変換、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
ファンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
コーンビームアルゴリズム、およびこれに続く断層撮影再構成フィルタ、
逐次再構成技法、
代数的再構成技法、または、
回折断層撮影アルゴリズム、
のうちのいずれか1つを用いて計算される、請求項1に記載の方法。 - 前記光応答性材料を下記のリスト、
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、
これらの組合せ、
のうちのいずれか1つとして用意することをさらに含む、先行する請求項のいずれか1項に記載の方法。 - 前記光応答性材料の、前記光パターンによる前記照射より前の位相は、下記のリスト、すなわち、
液相、
固相、
ゲル相、
のうちのいずれか1つである、請求項3に記載の方法。 - 前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである、請求項3から4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記光応答性材料は、前記光パターンが通って伝播される前記光応答性材料の前記ボリュームの最大厚さによって、前記光パターンの強度の最大90%が吸収されるような濃度の前記光開始剤を含む、請求項3から5のいずれか1項に記載の方法。
- マルチマテリアル三次元オブジェクトを生成するためのさらなるステップ、
c.前記光応答性材料の未硬化部を除去して、前記三次元オブジェクトを別の光応答性材料に浸漬するステップと、
d.前記計算するステップ、照射するステップおよび除去するステップを、前記マルチマテリアル三次元オブジェクトが生成されるまで反復するステップと、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 光応答性材料から三次元オブジェクトを生成するためのシステムであって、
制御された空間的光パターンを発することができる第1の投影ユニットと、
前記三次元オブジェクトの異なる配向角から、形成されるべき前記三次元オブジェクトを記述する逆投影のシーケンスを計算するための手段であって、前記逆投影は、前記制御された光パターンを画定するために使用される、手段と、
前記光パターンに対して光透過性である容器であって、前記容器は、一定容量の光応答性材料を入れるように意図され、かつ前記容器および前記意図された光応答性材料は、ビルドボリュームを画定し、
これにより、前記第1の投影ユニットは、前記ビルドボリュームを前記制御された光パターンで照射するようにシステム内に配置される、容器と、
前記第1の投影ユニットの照明範囲内で前記ビルドボリュームを回転すること、もしくは、前記第1の投影ユニットを前記ビルドボリュームに対して回転すること、またはこれらの双方の回転の組合せ、のいずれかによって、前記光パターンの、前記ビルドボリュームに対する入射方向を制御可能式に変更するためと、前記光応答性媒体を前記制御された光パターンで前記異なる配向角に対応する方向から照射することにより、前記計算された逆投影のシーケンスを実行するための、前記第1の投影ユニットと機能的に関連づけられる方向変更手段と、を備え、これにより、前記光応答性媒体の三次元的変性分布が作成され、かつ前記三次元オブジェクトが作成される、システム。 - 前記第1の投影ユニットは、光源と、空間光変調器、デジタル・マイクロミラー・デバイス、ガルバノスキャナまたは音響光学偏向器のうちの少なくとも1つと、を備える、請求項8に記載のシステム。
- 前記光源は、レーザ、複数のレーザの組合せまたはLEDを含むリストのうちのいずれか1つを備える、請求項9に記載のシステム。
- 前記第1の投影ユニットは、LEDアレイを備える、請求項8に記載のシステム。
- 前記ビルドボリュームおよび前記第1の投影ユニットと機能的に関連づけられるコントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記ビルドボリュームを回転軸の回りで回転させ、かつ同時に、前記三次元オブジェクトが形成されるまで、前記ビルドボリュームを光パターンのシーケンスで照明する、請求項8から11のいずれか1項に記載のシステム。
- 下記のリスト、
モノマー、
プレポリマー、
前記光または別の光源と相互作用して前記光応答性材料の位相を選択的に変える、1つまたは複数の光開始剤、
鎖延長剤、
反応性希釈剤、
充填剤、
顔料または染料、
これらの組合せ、
のうちのいずれか1つを備える光応答性材料をさらに含む、請求項8から12のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記光応答性材料の、前記光パターンによる前記照射より前の位相は、
液相、
固相、
ゲル相、
を含むリストのうちのいずれか1つである、請求項12に記載のシステム。 - 前記光応答性材料の動的粘度は、温度25℃で1000〜50000センチポイズである、請求項13または14のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、前記光パターンが通って伝播される前記光応答性材料の前記ボリュームの最大厚さによって、前記光パターンの強度の最大90%が吸収されるような濃度の前記光開始剤を含む、請求項13から15のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第1の投影ユニットは、照明方向が前記ビルドボリュームの回転面に対して平行であるように向けられる、請求項8から16のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第1の投影ユニットに加えて、前記装置は、第2の光波長で光パターンを生成できる第2の投影ユニットを備える、請求項8から17のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記第1および第2の投影ユニットの照明方向は、前記ビルドボリュームの前記回転面に対して平行である、請求項18に記載のシステム。
- 前記第1および第2の投影ユニットのいずれか一方の照明方向は、前記ビルドボリュームの前記回転面に対して平行であり、かつもう一方の投影ユニットの照明方向は、前記ビルドボリュームの前記回転面に対して垂直である、請求項18に記載のシステム。
- 前記三次元オブジェクトが形成されるまで、前記ビルドボリュームが第1のシーケンスの空間光パターンにより第1の波長で照明され、かつ同時に、前記ビルドボリュームが第2のシーケンスの空間光パターンにより第2の波長で照明されるようにさらに構成される、請求項18から20のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、前記第2の光波長と相互作用して前記光応答性材料の位相を変える前記第1の光波長の能力を選択的に妨げる光抑制剤を含む、請求項18から21のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、二段階の光開始剤を含み、よって、前記光応答性材料は、前記第1および第2の光波長により同時に、または連続して局所的に照明されると局所的に変性されるが、前記光波長の一方のみで局所的に照明されても変性されない、請求項18または21のいずれかに記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、細胞を播種される、請求項8から23のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、固体粒子で充填される、請求項8から24のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記固体粒子は、下記のリスト、
セラミック粒子、
金属粒子、
ポリマー粒子、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つを含む、請求項25に記載のシステム。 - 前記空間光パターンは、
点状、または、
一次元的(線形)、または、
二次元的(平面)、または、
三次元的(容量的または「ホログラフィ的」)、
である、請求項8から26のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記システムは、下記のリスト、
前記光応答性材料の温度を制御するための温度制御手段、
前記光応答性材料の湿度を制御するための湿度制御手段、
前記光応答性材料内の酸素濃度を制御するための酸素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の二酸化炭素濃度を制御するための二酸化炭素濃度制御手段、
前記光応答性材料内の窒素濃度を制御するための窒素濃度制御手段、
これらの任意の組合せ、
のうちのいずれか1つをさらに含む、請求項8から27のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記ビルドボリュームを前記1つまたは複数の投影ユニットの照明範囲に対して垂直に変位させるために、コントローラが前記ビルドボリュームと機能的に関連づけられる、請求項8から28のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光パターンは、前記光応答性材料の沈降の効果に合わせて補正される、請求項8から29のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光パターンは、前記ビルドボリュームの、前記光パターンの入射方向に対するミスアラインメントの効果に合わせて補正される、請求項8から30のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光パターンは、前記光応答性材料内部における光吸収の効果に合わせて補正される、請求項8から31のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記三次元オブジェクトの形成後、
残りの光応答性媒体が前記ビルドボリュームから除去される間に、前記三次元オブジェクトが前記ビルドボリューム内へ保持され、
前記第1の光応答性媒体とは異なる第2の光応答性媒体が、前記光透過性容器に充填され、
先行するいずれかの請求項に記載の方法により、前記第2の光応答性媒体から第2の三次元オブジェクトが形成される、
ようにさらに構成される、請求項8から32のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記三次元オブジェクトを向上された精度で生成するために、前記光応答性媒体の変性が、前記光パターンによる照射中に一定間隔で記録され、これらの記録が、後続の光パターンを補正するフィードバックとして使用されるようにさらに構成される、請求項8から33のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性媒体の変性の記録は、位相差イメージング、微分干渉コントラストまたはホログラフィによって行われる、請求項34に記載のシステム。
- 前記光応答性材料を入れる前記容器は、前記光応答性材料の注入および除去を自動化するようにさらに構成される、請求項8から35のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記形成される三次元オブジェクトを、それが生成された後に前記ビルドボリュームから抜き出すための手段が設けられる、請求項8から36のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記容器は、前記光応答性材料および前記形成される三次元オブジェクトを汚染しないように滅菌される、請求項8から37のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記光応答性材料は、生体細胞の周りに前記三次元オブジェクトを形成する前に、前記生体細胞で充填される、請求項8から38のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記生体細胞は、未分化幹細胞である、請求項39に記載のシステム。
- 前記三次元オブジェクトは、細胞成長のための生物学的支持体を有するヒドロゲルである、請求項39に記載のシステム。
- 生体細胞は、前記三次元オブジェクトが形成された後に注入される、請求項41に記載のシステム。
- 前記生体細胞は、未分化幹細胞である、請求項42に記載のシステム。
- 請求項39または42のいずれかに従って生成される前記形成された三次元オブジェクト内の前記生体細胞から細胞成長の生物学的プロセスの結果として作成される、形成された生体器官。
- 前記形成された三次元オブジェクトは、シリアル番号で識別される、請求項8から44のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記形成された三次元オブジェクトは、異方性の機械的特性を有する、請求項8から45のいずれか1項に記載のシステム。
- 三次元オブジェクトを再生するための方法であって、
オブジェクトの三次元スキャンを取得するステップと、
請求項1に記載の方法に従って前記三次元オブジェクトのコピーを形成するステップと、
を含む、方法。
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