JP2021045598A - ３ｄプリントされるヒドロゲル材料のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固化ヒドロゲル材料、未硬化ヒドロゲル材料、及び支持材料を含む物体の３Ｄプリンティングのための３Ｄプリンティングシステム、方法、及び材料が提供される。【解決手段】固化ヒドロゲル材料は、器官又は他の生物学的構造のための骨格を定めうる。３Ｄプリンティングシステムは、ヒドロゲル材料及び支持材料を選択的に堆積し、ヒドロゲル材料を乾燥させ、ヒドロゲル材料に触媒を選択的に塗布してヒドロゲル材料を選択的に硬化する。３Ｄプリンティングが完了すると、未硬化ヒドロゲル材料が排出されてもよく、支持材料は硬化ヒドロゲル材料の骨格を残して溶融又は溶解されてもよく、硬化ヒドロゲル材料は所望の器官又は生物学的構造の生体細胞を注入されてもよい。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、その全体がここに参照することによって本願に援用される、２０１６年１月２８日出願の米国仮特許出願第６２／２８８，０４３号に対する米国法典第３５編特許法第１１９条に基づく優先権を主張する。

本発明は、ヒドロゲル材料の３Ｄプリンティングに関し、より詳細には、後に生体細胞を注入されうる骨格（scaffolding）の３Ｄプリンティングに関する。

肺及び他の器官のような機能別生物学的構造の必要性が存在し、今日までそのような構造又は骨格を３Ｄプリントしようとする試みは不十分であった。

本発明のさまざまの実施形態は、ヒドロゲル材料の３Ｄプリント骨格を製造するための３Ｄプリンティングシステム、方法及び材料を提供することにより、上記の必要性に対応し、他の利点を達成する。本発明のある実施形態において、３Ｄプリンティングシステムは、（ａ）３Ｄプリンティング工程中、上部で３Ｄプリント物体を支持できるプラットフォーム；（ｂ）１種類以上のヒドロゲル材料及び支持材料をプラットフォーム上に選択的に堆積するプリンティング部分；（ｃ）ドライヤーを備え、プラットフォームが通過することによってプラットフォーム上の材料の少なくとも一部を乾燥できる、ドライヤー部分；及び（ｄ）プラットフォーム上の材料に触媒を選択的に塗布し、ヒドロゲル材料の少なくとも一部内で反応を生じさせる触媒供給源を含む開始部分を含み、触媒は、プラットフォーム上の露出したヒドロゲル材料の全てではないが一部に選択的に塗布される。

さらなる実施形態には、以下の工程により３Ｄ物体を３Ｄプリンティングする方法が含まれる：（ａ）プラットフォーム上に、ヒドロゲル材料及び支持材料の層を選択的に堆積する工程；（ｂ）ヒドロゲル材料の層の少なくとも一部を乾燥させる工程；（ｃ）ヒドロゲル材料の層の少なくとも一部に触媒を選択的に塗布する工程；及び（ｄ）３Ｄプリント物体の複数の層について、堆積、乾燥及び塗布を繰り返す工程。

さらなる実施形態には、硬化ヒドロゲル材料を含む骨格部分、未硬化ヒドロゲル材料を含む骨格部分内の通路、及び支持材料を含む支持構造、を備える３Ｄプリント物体が含まれる。未硬化ヒドロゲルは、骨格内に通路を提供するために硬化ヒドロゲル材料から除去されてもよく、支持材料は骨格から除去されてもよい。したがって、本発明のさまざまの実施形態は、生存に適した生物学的構造を提供するために生体細胞を注入されうる骨格の構造、製造性、及び性能に改良を与える。さらに別の３Ｄプリント物体を、本発明の３Ｄプリンティングシステム、方法、及び材料を用いて製造することができる。

本発明をここまで概括的に説明してきたが、添付の図面が参照され、これらは、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、例示的であって限定的ではないことが意図される。

支持材料中に入れられた３Ｄプリント骨格が、高解像度結像領域とインクジェットプリンティング領域との間の乾燥領域に示される、本発明のある実施形態に従った、３Ｄプリンティングシステムの概略側面図

本発明の全てではないが一部の実施形態が示される添付の図面を参照して、本発明が以下により完全に説明されるであろう。実際、本発明は多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定して解釈されるべきではない；むしろ、これらの実施形態は、本開示が規定の法的必要条件を満たすように提供される。器官、皮膚組織などを含む生物学的構造のための特定の種類の骨格に関して、３Ｄプリントヒドロゲル構造を提供するための装置及び方法が説明され、添付の図面に示されているが、さまざまの装置及び方法の機能性を、３Ｄプリントヒドロゲル物体を提供することが所望である任意の現在既知の又は今後考案される３Ｄプリンティング技術に適用してもよいことが想定される。図面の全体に亘って同様の番号は同様の要素を称する。

図１を参照すると、本発明のある実施形態に従った３Ｄプリンティングシステム１０が図示される。３Ｄプリンティングシステム１０は、図示される実施形態において、その開示がここに参照することによって全体的に本願に援用される、米国特許第６，１３６，２５２号；同第６，２７０，３３５号；同第６，３０５，７６９号；同第６，３４７，２５７号；及び同第６，８４１，１１６号のような、当該技術において既知の固体堆積モデリング（ＳＤＭ）又はマルチ−ジェットモデリング（ＭＪＭ）システムと類似するインクジェットプリンティング領域１６を有する。プラットフォーム１２は、ヒドロゲル材料が堆積され支持材料が堆積される、１つ以上のインクジェットプリントヘッド２４の下に移動し、図１では骨格及び支持体を含む３Ｄプリント物体１４の層を形成する。製造される３Ｄプリント物体１４を表現するデザインデータに基づいてコントローラにより提供される命令に基づいて、材料が選択的に堆積される。デザインデータはコントローラにより用いられ、ヒドロゲル材料及び支持材料の各々を堆積するようプリントヘッドに指示する。

本発明の特定の実施形態のインクジェットプリントヘッド又はプリントヘッド２４は、それを通して１種以上のヒドロゲル材料がプラットフォーム上に選択的に堆積されうる第１の複数の開口部、及び、それを通して支持材料がプラットフォーム上に選択的に堆積されうる第２の複数の開口部を有する。それぞれの材料の個々の液滴の位置は、３Ｄプリント物体を表現するデザインデータに基づく。いくつかの実施形態において、２種以上のヒドロゲル材料が選択的に堆積されてもよい。ヒドロゲル材料及び支持材料の堆積中に、部分的な層、完全な層、又は複数の層のいずれかの後に、プラットフォーム１２を、図示される実施形態ではＳＤＭ／ＭＪＭ技術で使用される種類の加熱ローラであるプラナライザ（planarizer）２６の下方に移動させる。プラナライザは、過剰に堆積された材料を除去し、ヒドロゲル材料及び／又は支持材料をさらに堆積する前、又はプラットフォーム１２が乾燥領域１８に移動される前に、層厚が正しいことを確保する。

いくつかの実施形態において、ヒドロゲル材料は、コラーゲンタイプＩ又はタイプＩＩ（特定の好ましい実施形態においてタイプＩが使用される）、あるいは、骨格のような、生じた３Ｄプリント物体のための主要な材料を形成する同様の材料である。さらに、又は代替的に、ヒドロゲル材料は、Ｆｉｂｒｉｌｌａｒ（好ましくはタイプＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、Ｖ、ＸＩ）のようなフィブリリン、任意の非−Ｆｉｂｒｉｌｌａｒ、又はエラスチンでもよい。生じた３Ｄプリント物体に弾性を与えるために、特定の実施形態においてエラスチンが使用される。本発明のさらなる実施形態において、その開示がここに参照することによって全体的に本願に援用される、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓにおいて２０１５年に発行された「３Ｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ ａｎｄ Ｔｏｕｇｈ Ｈｙｄｒｏｇｅｓ ｉｎｔｏ Ｃｏｍｐｌｅｘ， Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題されたＨｏｎｇ， Ｓｕｎｇｍｉｎ ｅｔ ａｌ．による論文に開示されるように、ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏを加えて又は加えずにかつ開始剤Ｉ−２９５９と共に、ヒドロゲルＰＥＧ−アルギネートが、単独で又は強化材料として使用される。本発明のさらなる実施形態において、当該技術において既知の又は今後考案される代替的なヒドロゲルが使用される。特定の３Ｄプリント物体１４のために選択される特定のヒドロゲルは、以下を含むがそれに限定されない１つ以上のパラメータに基づく：ヒドロゲルの物理的特性（３Ｄプリンティング工程及び特定の後工程を受けて）；及び、細胞毒性、あるいは、生じた骨格又は他の物体を本来の目的に不適当とするあるいは細胞毒性を低減又は除去するのに比較的広範な後工程を必要とする他の特性を加える又は生じることなく、ヒドロゲルが光開始を受ける能力。本発明のいくつかの実施形態におけるヒドロゲルは、以下に説明されるように化学線によって活性化される開始剤（触媒）を含む。

１種以上のヒドロゲル材料は、ヒドロゲルが図示される実施形態のインクジェットプリントヘッドを通して吐出できるように、水中に溶解される。いくつかの実施形態において、ヒドロゲル材料は、約３０；１の割合で水中に溶解される。本発明のさらなる実施形態において、ヒドロゲル材料対水の代替的な割合が使用され、特定のインクジェットプリントヘッド又は他の堆積装置から吐出されるのに必要な粘度、例えば、１０．０〜１９．０センチポアズの範囲、又はより好ましくは１１．０〜１４．０センチポアズの範囲、及びさらにより好ましくは１１．３〜１１．８センチポアズの範囲の粘度が達成される（さらなる実施形態において、所望の粘度を達成するために粘度改質剤が含まれてもよい）。水中にヒドロゲルを溶解することによって、本発明の特定の実施形態について少なくとも以下の２つの目的が果たされる：１）水中の希釈によって、粘度をインクジェットプリンティングのために十分低くすることが可能となる、及び２）乾燥工程（以下参照）中に余分な水が排出されると、層高さが約２５−３０マイクロメートル（インクジェットプリント層について通常）から約０．８−１マイクロメートルに収縮し、これは、特定の生物学的構造が有効となるために必要な骨格の詳細（ｚ軸に沿った）を提供するために要求される厚さである。

本発明のある実施形態は、約３のｐＨにおいて酢酸中に及び含水溶液（３０：１水）中に溶解したコラーゲン、並びに光開始剤としてのリボフラビンを含む。この実施形態のヒドロゲル材料は、インクジェットプリントヘッドの第１のセットのノズルから選択的に堆積されて層を形成し、一方、バッファは、上記のインクジェットプリントヘッド（又は別のインクジェットプリントヘッド）の第２のセットのノズルから選択的に堆積されてヒドロゲル材料をゲル化する（バッファが堆積されるボクセルにおいて）。この実施形態のバッファは、堆積されたコラーゲンのｐＨを約３から６〜８の間に移動させるのに十分な割合のリン酸緩衝生理食塩水（「ＰＢＳ」）である。例えば、１倍濃度のＰＢＳでは、堆積されたコラーゲンのｐＨは約６．８まで上昇され、１０倍濃度のＰＢＳでは、堆積されたコラーゲンのｐＨは約７．４まで上昇される。堆積されたコラーゲンのｐＨを上昇させることにより、コラーゲン自己組織がゲルに戻る。

本発明のこの実施形態に従って、ヒドロゲル材料、バッファ、及び支持材料の１つ以上の層が堆積されると、この１つ以上の層は乾燥領域１８に搬送され、ゲルから余分な水が除去され、次いで、１つ以上の層が開始部分２０に搬送され、ここで高解像度ＵＶ（２５４ｎｍにおける）画像露光によってゲル化コラーゲンの部分が選択的に架橋される。この工程は、３Ｄプリント物体の実質的に全ての層について繰り返され、次いで、３Ｄプリント物体は、支持材料及び非架橋ゲル化コラーゲンを除去するために後処理される（非架橋ゲル化コラーゲンは、酢酸溶液により除去できる）。本発明のいくつかの実施形態に従ったさらなる後処理工程は、コラーゲンをさらに架橋するために最終パーツ（例えば骨格）の上にゲニピン（genipin）を堆積する工程を含む。さらなる実施形態において、ゲニピンの代わりにグルタルアルデヒドを用いて最終パーツを後処理してもよい；しかしながら、グルタルアルデヒドの細胞毒性のために、骨格のような生体用途に使用するためのそのように後処理されたパーツは、パーツの使用前に任意の細胞毒素を除去するためにさらに洗浄を必要とするかもしれない。

図１の図示される実施形態に戻ると、支持材料は、炭化水素ワックス又は炭化水素アルコールワックス、あるいは、その開示がここに参照することによって全体的に本願に援用される、米国特許第８，５７５，２５８号；同第８，６４２，６９２号；及び同第８，９７５，３５２号のような当該技術において既知の他のワックスベース支持材料のようなワックス材料でもよい。本発明の代替的な実施形態において、ＵＶ照射又は他の化学線による硬化を必要としない他の相変化支持材料のような支持材料が使用される。

支持材料は、３Ｄプリンティング工程中、ヒドロゲル材料を支持する。本発明のいくつかの実施形態において、支持材料は、ヒドロゲル材料の層の各部分の境界の周りでプリントされる。支持材料のこの境界は、３Ｄプリント物体がプリントされる間に硬化及び未硬化ヒドロゲル材料を含む「バット（vat）」として作用する。コラーゲンタイプＩ（又は同様の）材料の領域は、本発明のいくつかの実施形態において、通常は支持境界と骨格との間にプリントされる。この中間領域は、ＵＶ又は可視光に暴露されずかつ重合されず、したがって、３Ｄプリント工程中に支持材料及びその下の硬化ヒドロゲル材料の境界によってのみ保持される。

ヒドロゲル材料及び支持材料の１つ以上の層がプリンティング部分１６に選択的に堆積されると、図１の実施形態において、プラットフォーム１２がｘ軸に沿ってドライヤー部分１６（乾燥領域とも称される）に移動される。熱源、ファン、真空、又はそれらの組合せを含むドライヤー２８によって、ヒドロゲル材料中の余分な水が除去される。

ヒドロゲルが適切な粘度まで乾燥されると、図１の実施形態において、プラットフォーム１２がｘ軸に沿って再び開始部分２０まで移動し、開始部分２０は、プラットフォーム上の材料に触媒を選択的に塗布してヒドロゲル材料の少なくとも一部内で反応を生じさせる触媒供給源２２を含む。図１の実施形態において、触媒供給源２２は、ＵＶ又は可視光のような化学線供給源であり、ヒドロゲル材料中の開始剤を活性化する。化学線供給源は、レーザ装置、デジタルミラー装置（ＤＭＤ／ＤＬＰ）、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ装置（ＧＬＶ）、ＬＥＤ、ＭＥＭＳ、マスク結像装置、及び表面上に光を選択的に投影できる任意の他の発光装置を含むがこれらに限定されない。本発明の他の実施形態において、触媒供給源は、触媒をヒドロゲル材料層の選択的部分上に物理的に堆積する触媒塗布装置である。

本発明の特定の実施形態において、結像器は、ＤＭＤ又はＤＭＤアレイあるいはピクセル間隔が１マイクロメートル未満となるようにマイクロ化された同様のマスク結像器である。例えば、ＤＭＤチップピクセル間隔が５．４マイクロメートルである場合、マイクロ化は５．４超である。ＤＭＤ又はＤＭＤアレイは通常、ヒドロゲル材料の層の上をスキャンされ、ＤＭＤは像平面における各ピクセル位置でオンまたはオフに（あるいは中間強度で）プログラムされる。

例えば肺のための、生物学的構造のための骨格を３Ｄプリンティングする本発明の実施形態について、組み合わされたインクジェット結像及び高解像度マスク結像は、コラーゲンタイプＩ（又は同様の）材料が、１マイクロメートルのオーダーで解像度を要求する空気通路と血液通路との間の領域において非常に高い細かさで形成されるようにプログラムされる。骨格の全体的な機械的強度及び弾性は、呼吸中に肺が元の形状に戻るように、コラーゲンが単独で提供できるものより大きい必要がある。したがって、いくつかの実施形態において、他のより硬いヒドロゲル状材料が、ベースのコラーゲン材料中に織り合わされる又は他の方法で組み込まれる必要がある。１つ又は複数の丈夫な弾性材料の詳細は、より低い解像度のインクジェットプリンティングにより特定される。全てのヒドロゲル材料は、インクジェットプリンティングにより堆積される。コラーゲンタイプＩ（又は同様の）材料のバルク内の領域は、丈夫な弾性材料を含むが、丈夫な弾性材料はいずれも、通常は空気通路及び血液通路まですぐの領域でプリントされない。ヒドロゲル材料の全体的な断面は、空気通路及び血液通路の領域を除いてＵＶ又は可視結像器で照射され、上記の領域は後に生体細胞を注入され、任意の他の領域は骨格デザインにおいて中空のままである。

上記の処理は通常、３Ｄプリント物体の各層について繰り返される。３Ｄプリンティング処理が完了すると、３Ｄプリント物体は後処理工程を受け、支持材料及び未硬化ヒドロゲル材料が除去される。未硬化ヒドロゲル材料（触媒によって開始されなかった）は、支持材料が除去される前後のいずれかで、硬化ヒドロゲルから排出されてもよい。いくつかの実施形態において、ヒドロゲル材料を損傷しないように注意しながら、当該技術において通常知られるように、熱によって支持材料を除去してもよい。当該技術において既知の支持材料を除去するためのさらなる他の技術を使用してもよい。残存する硬化ヒドロゲル材料は、その後の使用の前に完全に取り除かれる。生物学的構造の製造のための本発明の実施形態において、３Ｄプリントヒドロゲル材料は、適切に不要なものが取り除かれると、骨格がデザインされた特定の器官又は組織の生体細胞を注入されうる。骨格のデザインは、所望の生物学的構造の種類、生物学的構造が意図される個々の患者に由来するスキャンデータ、及び／又は骨格の適切な形状及び構造を特定する他の要因に基づいてもよい。

本明細書に記載される本発明の多くの変更及び他の実施形態が、上記の詳細な説明及び関連する図面に示される教示の利点を有する本発明に関する当業者に思い浮かべられるであろう。したがって、本発明は開示される特定の実施形態に限定されるものでなく、変更及び他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内であれば、本発明の変更及びバリエーションに及ぶことが意図される。本明細書において特定の用語が用いられているが、一般的及び記述的意味においてのみ用いられており、限定する目的で用いられていない。

したがって、本発明は、改良された構築及び支持材料による３次元物体の製造を提供する。 本明細書に記載される本発明の多くの変更及び他の実施形態が、上記の詳細な説明及び関連する図面に示される教示の利点を有する本発明に関する当業者に思い浮かべられるであろう。したがって、本発明は開示される特定の実施形態に限定されるものでなく、変更及び他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内であれば、本発明の変更及びバリエーションに及ぶことが意図される。本明細書において特定の用語が用いられているが、一般的及び記述的意味においてのみ用いられており、限定する目的で用いられていない。

本発明の説明において（特に以下の請求項において）、用語「ａ」及び「ａｎ」並びに「ｔｈｅ」及び同様の言及の使用は、そうでないことが本明細書に示されるか文脈に明らかに矛盾しない限り、単一及び複数の両方を対象とすると解釈されるべきである。「備える」、「有する」、「含む」、及び「含有する」なる用語は、他に言及されない限り、制限のない（open-ended）用語（すなわち、「含むがそれに限定されない」を意味する）として解釈されるべきである。本明細書における数値の範囲の記載は、そうでないことが本明細書に示されない限り、範囲内のそれぞれの個別の数値に個々に言及する省略法として作用することが単に意図され、それぞれの個別の数値は、本明細書に個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、そうでないことが本明細書に示されるか文脈に明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で行われてもよい。本明細書に提供される任意の及び全ての実施例、又は例示的な文言（例えば「のような」）の使用は、単に本発明をより良好に解明することを意図するものであり、そうでないことが特許請求されない限り、本発明の範囲に制限を加えるものでない。本明細書中の文言は、本発明の実施に必須なものとして任意の特許請求されない要素を示すものとして解釈されない。

Claims (18)

1. 生物学的用途のための骨格を形成する方法であって、
   （１）第１の厚さを有する支持体上にヒドロゲルの層を分配する工程；
   （２）前記ヒドロゲルの層を乾燥させ、前記ヒドロゲルの層の厚さを、前記第１の厚さの２０％未満である第２の厚さに減少させる工程；
   （３）前記ヒドロゲルの層を選択的に結像し、前記ヒドロゲルの層の硬化部分および未硬化部分を提供する工程；および
   （４）工程（１）〜（３）を複数回繰り返し、前記骨格の形成を完了する工程、
   を含む、方法。
2. 前記ヒドロゲルの層を分配する工程が、前記ヒドロゲルの層を選択的に分配する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ヒドロゲルの層を選択的に分配する工程が、インクジェットプリントヘッドから前記ヒドロゲルの層を選択的に噴出する工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記ヒドロゲルが水性溶液内にあり、前記ヒドロゲルの層を乾燥させる工程によって、水が排出され、前記ヒドロゲルの層が前記第１の厚さから前記第２の厚さまで収縮することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記水性溶液が、酸中に溶解したヒドロゲルを含み、前記水性溶液のｐＨを６超に上昇させるバッファを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記バッファが、前記水性溶液のｐＨを、６〜８の範囲に上昇させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記ｐＨが、前記分配されたヒドロゲルが液体からゲルに自己組織化することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記酸が酢酸であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. 前記水性溶液が、１０〜１９センチポアズの粘度を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記ヒドロゲルが、コラーゲンタイプＩ、コラーゲンタイプＩＩ、フィブリリン、およびエラスチンからなるリストから選択される１つまたは複数の材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の厚さが１０マイクロメートル超であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記第２の厚さが２マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の厚さが、前記第１の厚さの１０％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 前記ヒドロゲルの層のための支持材料の層を堆積する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記支持材料の層が、前記ヒドロゲルの層の境界の周りにプリントされることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ヒドロゲルの層の周りにプリントされた前記支持材料の反復された層が、硬化および未硬化のヒドロゲルを含むバットを形成することを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記支持材料が炭化水素ワックスを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
18. 前記支持材料が、化学線による効果を必要としない相変化支持材料であることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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