JP2022505792A - ロボット化されたバイオプリンティングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一部が生物学的粒子（細胞および細胞誘導体）によって構成される材料から、構造化された生物学的材料を製造するためのバイオプリンティングシステムに関し、ａ）生物学的に関心のある対象物を印刷するための少なくとも１つのプリントヘッドと、少なくとも1つのターゲットとを含む印刷アセンブリと、ｂ）プリントヘッドに生物学的に関心のある対象物を供給するための供給源と、ｃ）生物学的に関心のある対象物をバイオプリントする手段と、ｄ）ターゲットに対してプリントヘッドを移動させる手段移動手段と、を備え、6つの軸に沿ってターゲットの移動を制御するロボットによって構成され、プリントヘッドの少なくとも１つは、印刷段階では静止していることを特徴とする。

Description

本発明は、「バイオプリンティング」と呼ばれる生体組織の人工的な製造を可能にする積層造形の分野に関する。バイオプリンティングとは、組織工学、再生医療、薬物動態学など、より一般的な生物学的研究のための生体組織や臓器を開発するために、コンピューターの制御下で、生きた細胞や他の生物学的産物、生体材料、生化学物質、生体適合物質を層ごとに順次配置して、空間的に構造化することを可能にするものである。

バイオプリンティングの主な用途は、規制上および倫理上の問題を回避するために、動物と人間の両方の生物から採取した組織を置き換える実験研究用の合成生体組織の調製に関連している。長期的には、バイオプリンティングにより、表皮、骨組織、腎臓の一部、肝臓、その他の重要な臓器、心臓弁、または血管構造などの中空構造など、拒絶反応のリスクなしに移植用の臓器を製造することができる。

３Ｄバイオプリンティングによる組織の製造は、次の３つの連続した技術ステップに分けることができる。
－分化した細胞または幹細胞が培養液中でどのようにバイオインクの構成のために準備され、次に層ごとに印刷されるかを定義するデジタルモデルの設計のための前処理。
－さまざまな技術 (レーザー印刷、生物インクジェット、マイクロ押出など)を使用したプリンターによる組織の自動印刷。
－その過程で、組み立てられた細胞と生体材料が進化し、相互作用して機能的で生存可能な組織を形成する、印刷された組織の成熟。

一般的な原理は、様々な要素を組み込んだ生物学的インクを含むソースを準備することから始まり、このインクは、活性化源、例えばレーザー、電気機械、または音のパルス、あるいは投影などから発せられる制御されたエネルギー供給によって、転写された要素が積層印刷によって二次元または三次元のマトリックスを形成する受信ターゲットの方向に転写される。転写された各要素のターゲット上の到着位置は、ターゲットに対するソースの相対的な位置によって決定される。一般に、活性化源は、ターゲット上の各要素の位置を決定するために、移動方向に垂直なＸＹ平面上でガイドされる。

本発明は、より詳細には、ターゲットに対する印刷ソースからの生物学的に関心のある対象物の移動に関し、より詳細には、ロボット支援による移動に関する。

本発明の目的は、生きた細胞（例えば、多能性幹細胞やその他の分化した細胞）や、コラーゲンなどの生物学的生成物、より一般的には細胞外マトリックス材料からなる生物学的に関心のある対象物を、ソースからターゲットに転送することである。

生物学的に関心のある対象物を流体に入れて、例えば生細胞などの生物学的粒子を含む「バイオインク」を形成することができる。その後、これらのバイオインクを調製して無菌状態でパッケージ化することで、時が来ると生体組織の印刷に使用できるようになる。

本特許において、バイオプリンティングとは、組織工学、再生医療、薬物動態、より一般的には生物学的研究のための生体組織や臓器を開発するために、コンピューターを用いて幾何学的構造、特に生物学的に関心のある対象物を個別に堆積させて形成された層のスタックを作成する方法によって、生体細胞やその他の生物学的産物を空間的に構造化することを意味する。バイオプリンティングとは、生きた細胞と生体材料を同時に何層にも重ねることで、皮膚、心臓弁、軟骨、心臓組織、腎臓、肝臓などの人工臓器や、膀胱などの中空構造物、血管構造物などの生体組織を作ることである。

「レーザー誘起フォワード転送」(ＬＩＦＴ)と呼ばれる技術に基づいたレーザーによる生体要素の印刷装置の一例が、特許文献１に記載されている。それは、レーザービームを発するパルスレーザー源、レーザービームを集束および配向させるシステム、少なくとも１つの生物学的インクを含むドナー媒体、およびドナー媒体から放出された材料を受けるように配置された受容基板を含む。

レーザービームは、ほぼ垂直方向および上から下への方向、すなわち重力と同じ方向に向けられた状態で、ドナー支持体に衝突する。したがって、生物インクはスライドの下に置かれ、ドナー媒体の下に置かれるレシピエント基板に向かって下向きになる。

既知の先行技術には、特許文献２が含まれており、これは、少なくとも１つの三次元印刷装置（積層造形）、コンピューター数値制御（CNC）仕上げヘッド（減算型製造）、真空成形ユニット、射出成形ユニット）およびレーザー切断ユニット、超音波溶接ユニット、ならびに、アルマンロボット分析装置、サンプリング装置、または、それらの組み合わせを記載している。

複数の個別の滅菌可能なチャンバーを滅菌可能なチャンバーのアレイに無菌的に接続することができ、製造アセンブリに追加の機能を提供する。

このソリューションは、生物学的印刷を意図したものではなく、有効な医薬品成分をコーティングするための加熱ヘッドを使用している。

生体組織を形成するために、生体細胞および細胞間物質を含む生物学的に関心のある対象物の堆積を意図したものではない。

特許文献３は、協調多軸制御と人工視覚測定に基づく３Ｄプリンティングシステムが記載されており、機械フレーム、人工骨支持体の設置に使用する作業台、作業台の上に配置された印刷装置、印刷材料、画像取り込み装置、印刷装置の向きを調整するための駆動機構、および制御システムを備え、印刷装置、材料搬送装置、画像キャプチャ装置、および駆動機構はすべて制御システムに接続され、作業台は機械フレームに接続された６自由度の並列プラットフォームであり、駆動機構は６軸ロボットアーム、および印刷デバイスは６軸ロボットアームに接続されている。使用時には、人工骨支持体を６自由度の平行台に置き、６軸のロボットアームにより印刷装置の位置を制御し、６自由度の平行台と６軸のロボットアームの連携により、印刷装置の印刷ノズルの正確な空間的位置制御を行うことで、複雑で微細な人工骨表面や多孔質構造を有する内部表面への３次元パターン印刷を得ることができる。

この文献は、３Ｄプリントによる人工骨の製造に関するものであり、少なくとも部分的に生体粒子（生細胞及び細胞派生物）からなる材料からの構造化された生体材料の製造に関するものではない。

特許文献４は、ワークの除去および追加の機械加工を通して機械加工を可能にする工作機械を記載している。工作機械は、第１の加工ゾーンに配置され、ワークを保持する第１のスピンドルホルダおよび第２のスピンドルホルダと、第１の加工ゾーンに配置され、ワークの材料除去加工を可能にする工具を支持する下部切削装置ホルダおよび工具スピンドルと、第２の加工ゾーンに配置された追加の加工ヘッドと、ワークを保持し、第１の加工ゾーンと第２の加工ゾーンとの間でワークを搬送するロボットアームとを備える。追加加工ヘッドは、ワークの追加加工時に、ロボットアームに保持されたワークに材料を吐出する。このような構成により、簡単な構成でワークの削り出し加工や追加加工が可能な工作機械を提供する。

この文献はバイオプリンティングには関係しない。

特許文献５は、層を堆積するための装置を記載しており、以下を含む：
－筐体を備えたフレームであって、さらに以下をサポートするフレーム:
・製造される対象物を支持するためのテーブルであって、可動プレートと第１移動手段を備えるテーブルと、前記対象物を形成するために前記材料をテーブル上に配置するための材料ディスペンサであって、少なくとも１つの容器、少なくとも１つのノズル、および少なくとも１つの押出部材のための第２移動手段を備える材料ディスペンサとを備えている。
・圧縮手段と、テーブルへの材料の堆積を制御するための制御部材とを備え、少なくとも前記プレートと前記ノズルの端部が筐体の内部に配置され、少なくともテーブルとディスペンサを移動させるための手段と制御部材が筐体の外部に配置されている。

欧州特許出願公開第３２３４１０２号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０６８７９３号明細書 国際公開第２０１８／０７２２６５号パンフレット 米国特許出願公開第２０１８／１４１１７４号明細書 米国特許出願公開第２０１０／２０６２２４号明細書

第一に、先行技術のソリューションは、一般的に不活性材料のための積層印刷ソリューションに関するものであり、バイオプリンティングに関するものではなく、その結果、いくつかの転送されるオブジェクトの（生きた細胞）の生きた性質や、その後の細胞の成長と衰退の進行、生成される生体組織の構造を考慮に入れるための正確な位置決めの必要性など、特に制約がある。

従来技術のソリューションでは、ターゲットは印刷段階で静止しており、対象のプリントヘッド（または「ドナー」）は、転送される要素を配置するために、ターゲット上のターゲットポイントを通過する起動軸上で移動する。このソリューションにはいくつかの欠点がある。すなわち、ドナーの移動は、特にレーザー印刷において、転写される要素が一般に懸濁しているキャリア流体の流体力学的な障害を引き起こす。これらの障害は、オブジェクトの位置決め、ターゲット設定、および最終的には印刷条件の再現性にエラーを引き起こす。これは、特に必要な再現性を備えた高解像度で印刷することが望まれる場合に、既存のソリューションの主要な制限を構成する。

さらに、このソリューションは、非平面ターゲット、たとえば、心臓または血管弁のバイオプリンティングを目的としたターゲットには最適化されていない。

最後に、印刷段階の前にドナーを所定の位置に配置するため、または印刷段階後にドナーを取り外すために（または手動で配置および削除を実行するために）、ドナーを移動させるための複数の手段を提供することが必要である。「印刷段階」という用語は、バイオプリンティングの開始と一連のドナー活性化パルスの終了との間で、ドナーが活性化の繰り返しを受ける期間を意味すると理解される。

本発明は、最も一般的な意味において、少なくとも一部が請求項１に記載の生体粒子（細胞および細胞誘導体）からなる材料から構造化生体材料を製造するためのバイオプリンティングシステムに関する。

実際、本発明の主題を構成するソリューションを実施する際に、（ドナー）プリントヘッドは、使用される技術（レーザー、ノズル、音響など）に関係なく、印刷ステップの間静止したままである。このように、印刷条件が印刷フィールドのすべての点で同じに保たれるため、固定された最適な印刷パラメーターを維持することが容易になる。ロボットアームは、ターゲットとヘッドの間の距離、つまりドナーとレシピエントの距離の観点から位置決めも行う。

これは、ターゲット基板に堆積される材料の形状と量に強く影響するパラメーターの１つを構成するため、印刷段階で把握して維持する必要がある。

プリントヘッドは、従来技術のように移動させる必要がなく、測定手段を組み込むのに十分なスペースを持ってバイオプリンターのフレームに連結されているので、プリントヘッドの不動性は、前記ヘッドに特性評価手段（イメージング、距離測定、センサーなど）を装備することを可能にする。

単独で、または組み合わせて検討された変形例によると:
－前記ロボットは、６つの自由度を有するロボットアームであり、位置決めのための３つの軸と、各回転軸に対して少なくとも１８０°に沿った配向のための３つの軸を有し、所定の作業空間において前記ターゲットを移動および配向させることが可能であり、その移動のコースは前記ターゲットの最大寸法よりも大きく、
－前記ロボットは六脚タイプであり、
－前記ロボットはデルタタイプであり、
－前記ロボットは六脚またはデルタタイプであり、ターゲットを回転させるための手段を備え、
－ターゲットがエフェクターによってロボットにリンクされており、
－システムは、複数のターゲットを受け取るための支持体を含み、ロボットは、バイオプリンティング手段に対する移動のためのターゲットの抽出を制御し、
－システムは、同時に動作する追加機能 (ピペッティングなど) 用の第２のロボットを備えており、
－ロボットは、ドナーの最初の位置決めとその準備も行い、
－バイオプリンティングシステムは、少なくとも１つのレーザーバイオプリンティング手段が組み込まれており、
－バイオプリンティングシステムは、少なくとも１つのノズルバイオプリンティング技術が組み込まれおり。
－バイオプリンティングシステムには、ノズルとレーザーバイオプリンティング技術の組み合わせが組み込まれている。

また、本発明は、少なくとも一部が生物学的粒子（細胞および細胞誘導体）で構成された材料から構造化された生物学的材料を製造するためのバイオプリンティング方法であって、印刷段階において、少なくとも１つの静止したプリントヘッドに対するロボットによる少なくとも１つのターゲットの３次元的な移動を制御することを特徴とするバイオプリンティング方法に関する。

任意には、この方法は、少なくとも１つの追加のワークステーションに対して前記標的を移動させることをさらに含む。

一変形例によれば、非平面を有するターゲットとプリントヘッドとの間の一定の距離を維持するために、前記移動が制御される。

本発明は、添付の図面によって示される非限定的な例示的な実施形態に関する以下の説明を読むことでよりよく理解されるであろう。
図１は、本発明の例示的な実施形態の断面に沿った図である。 図２は、ターゲットを取り扱うさまざまな段階にあるロボットアームの図である。 図３は、ターゲットを取り扱うさまざまな段階にあるロボットアームの図である。 図４は、ターゲットを取り扱うさまざまな段階にあるロボットアームの図である。 図５は、ターゲットを取り扱うさまざまな段階にあるロボットアームの図である。 図６は、本発明による機械の1つの正面図である。 図７は、ロボットに関連付けられたピペッターの形態の例示的な実施形態を示す。 図８は、ロボットに関連する空気圧およびチューブシステムの斜視図を示す。

図１または図６が例示的な実施形態を示すバイオプリンターは、滅菌不可能な下部（１１）がバイオプリンティング手段（５）、例えば光学ヘッド、レーザー、レーザー バイオプリンター用のイメージングシステム、を含む。

このフレームは、層流シーリングベンチレーター（フード）またはフィルターカートリッジ（１６）を経由したブロワー（アイソレーター）（１５）によって供給される陽圧シーリングを備えたチャンバーから構成される、クリーン（フードタイプ）または滅菌可能（アイソレータータイプ）の筐体（１０）で覆われている。この殺菌可能なチャンバー（１０）内に配置されたロボットアーム（３）は、プリントヘッド（１）に対するターゲット（６）の移動を処理する。任意に密閉された光学窓（２０）により、殺菌可能な筐体（１０）と殺菌不可能なゾーンに置かれた印刷媒体（５）との間でレーザービームおよび画像形成ビームを伝送することができる。

ロボットアーム（３）は、ブランクターゲットのストックからターゲットを取り出すために、印刷段階では作業領域内で、印刷段階前ではこの作業領域外でターゲット（６）の移動を処理し、印刷段階後には熟成ゾーンに移動させる。

説明した例では、ロボット（３）は、本来知られている方法で６つの回転軸を持つ擬人化されたロボットアームで構成されている。図に示されているロボットは市販されており、ストーブリロボティクス（STAUBLI ROBOTICS）社によって設計および製造された。それは、医薬品分野の適正製造基準と互換性があり、したがって臨床グレードの組織の製造と互換性がある滅菌可能なバージョンで存在するという特殊性を持っている。それは足（２）によって固定され、４つのセグメントと２つの肘（４、７）を備える。これらの異なる要素は、回転軸を中心に互いに回転できるように組み立てられている。最後のセグメント(８)は、一般に、ターゲット(６)を把持するためのクランプ(９)の形のエフェクターからなる作業ツールを運ぶ。

図２―５は、アーム（３）およびターゲット（６）の一連の位置を示している。

図２に示す第１の状況では、媒体（３０）に、バイオプリント要素を受け入れる準備ができている複数のブランクターゲット（６、３１、３２、３３）が装填されている。図３に示すように、ターゲット(６)の１つがクランプ(９)によって支持体(３０)から引き出される。

ターゲット(６)は、クランプ(９)を回転させることにより、図４に示すように、たとえば片面ともう片面に交互に印刷するために裏返すことができる。

次に、ターゲット（６）をドナー（１）の上に配置し、ＸＹ平面上で、場合によってはＺ軸に沿って移動して、ドナー（１）からの要素の投影が、モデリングプログラムによって印刷される組織の位置に到達するように、ターゲット（６）を非常に正確に配置する。大部分のバイオプリンティング技術では、ドナーとレシピエントの基板間の距離が、印刷の品質と再現性にとって非常に重要なパラメーターとなる。したがって、ロボットは、基板が平らでなくても、常にこの距離の静止または調整された値を維持できる。

この例示的な実施形態では、印刷ゾーンは、筐体（１０）によって外部から隔離され、これにより、ロボットが配置されている受信基板の印刷および取り扱いゾーンから電源（５）を分離することが可能になる。これは、電源と印刷ゾーンが一体化している従来技術の例との大きな違いである。この解離は、印刷プロセスの保護と安定性の点で大きな利点を提供する。

この例示的な実施形態で説明するさまざまなロボット位置は、シーメンス（SIEMENS）型プログラマブルロジックコントローラーを介してロボットに送信され、バイオプリンティング中にさまざまなプリントヘッドおよびロボットによって実行されるすべての動作を完全にスケジュールし、同期させることが可能になる。ここで説明するさまざまな要素の順序付けと同期は、迅速な印刷を確実にし、印刷される組織の生存率と、開始デジタルモデルに対して印刷されるものの忠実度を維持するために、明確かつ非常に短期間で実行する必要がある。

この状況でのロボットの経路は、２種類の操作に対応する。
－位置決め: これは、マシンのさまざまな場所（リロード、イメージング、印刷など）での受信者の位置決めである。特定の経路を検索せずに機械のある領域から別の領域に移動するための変位について話しているが、筐体内に存在するさまざまな要素との衝突を回避するための安全性は確保されている。したがって、ロボットは、複数の異なる印刷および特性評価方法が装備されている場合に、バイオプリンターのマルチモーダルな側面を管理することを可能にする。ロボットは、レーザー印刷用のドナーに対してターゲットを所望の距離に配置することもできる。一部の構成では、ロボットは高解像度（ＨＲ）レーザープリントヘッドから低解像度（ＢＲ）レーザープリントヘッドに切り替えることができる。
－印刷パス：これは印刷パターンの作成である。実際、ノズルによる印刷方法の場合、ロボットはレシピエントのＸ、Ｙ（Ｚを参照）の動きによって印刷経路を処理する。この場合、不連続な点の経路に対応する第１の「停止して放出する」モードと、連続または疑似連続印刷のラインの経路に対応する第２の「放出する」モードの２つのモードで動作可能であることを強調する必要がある。

これらの２種類の動作－位置決めと経路－を提供するロボットの性能は、速度（最大８ｍ/ｓ）と精度（±２０μｍ）の点で非常に特殊である。ロボットによって動かされる重量も慣性の観点から重要な基準である。一般に、ロボットは細胞培養ディッシュやマルチウェルディッシュの搬送に使用されるが、これらはロボットの性能に影響を与えない非常に軽い物体である。

ロボットとターゲットの間のリンクは、一般にクランプの形をとるエフェクターによって提供される。

ロボットアームを使ってターゲットを３Ｄおよび３つの可能な角度で空間を移動させることで、非平面の表面への印刷との完全な互換性への道が開く。実際、このアプローチのおかげで、ターゲットの任意の印刷ポイントをプリントヘッドに対して同じ位置に配置できるため、常に最適な印刷条件を維持することができる。このような機能により、ソリューションがｉｎ ｓｉｔｕまたはｉｎ ｖｉｖｏでの印刷にも対応できることを強調しておく必要がある。しかし、この状況では、ロボットがターゲットのサイズと重量の関数としてヘッドに対してターゲットを動かす能力に関して、相対的な制限に注意すべきである。したがって、アームの性能と寸法は、移動する印刷媒体のサイズに関して最適化する必要があると結論付けることができる。

この実施形態は、湾曲した生物組織、例えば心臓弁、角膜、血管、プロテーゼ上に堆積された軟骨などの製造に特に適している。

特に、ロボットのエフェクターは、回転する円筒形のマンドレルを支持することができ、その上に生体物質が移動する。

別の利点は、バイオプリンターのフレームにリンクされているため、バイオインクをプリントヘッドに簡単に再ロードできることである。ロボットアームから印刷支持体を取り外すことなく、プリントヘッドまたはそのリザーバーを交換することも容易に考えられるため、大量の原材料を印刷する必要がある場合でも、印刷するオブジェクトの３Ｄ位置を維持できる。

ロボットはまた、バイオプリンティングモードを切り替えるために、複数のプリントヘッドに対してターゲットを移動させることもできる。たとえば、ロボットは、ターゲットをレーザーパルス転送ヘッドに対して移動させて、最初の一連の生物材料－例えば細胞など－を配置し、次に押し出しまたはインクジェット印刷ノズルに移動して、２番目の一連の生物材料の粒子－例えば、細胞外マトリックス－を配置できる。

最後に、ロボットアームは人間の手と同様の動きを実行することを可能にし、印刷されたオブジェクトの形状の完全性を確実に維持する経路に沿って、受け側の支持体を移動させる道を開く。実際、バイオプリンティングの分野では、印刷物にはある程度の柔軟性があり、多かれ少なかれ液体の部分がある。したがって、印刷された層を乱さないように、ターゲットの移動経路を調査する必要があり、これは、この能力に必要な６自由度を含むロボットアームによって実行できる。

ターゲットに対するロボットアームの特定の実装に関連する利点を超えて、本発明は、前記ロボットアームの貢献による印刷プロセスの自動化を利用することを提案する。結局のところ、このアームにより、バイオプリンターのユーザーによる手動操作を最小限に抑えながら、再現可能で正確な印刷を行うことができる。

したがって、アームは：
－印刷の上流段階：インクの準備、ピペッティング、インクの拡散、リザーバーの充填、キャリブレーション、カバーの移動、セプタムの穴あけなどに、
－印刷段階中：ターゲットのロード、プリントヘッドに対するターゲットの移動、印刷経路、ターゲットのアンロード、ピペッターからのチップの取り外し、アクチュエーターによるドナーのアクティブ化などに、
－成熟段階中：バイオプリンターにインキュベーターが装備されているか、インキュベーターに接続されている場合、アームはその中にターゲットを配置し、メディアの変更を実行し、ターゲットを特性評価手段(イメージングタイプ) に持ってくること等ができ、
－コンディショニング段階中:標的組織を専用の無菌エンベロープに入れるために、
使用される。

ロボットアームを備えたドナーの準備の非限定的な例は、アクチュエーターを介して制御されるピペット（４０）を運ぶエフェクターを使用することにある。

前記ロボットアームは、最初に、インクを含むリザーバーの上にピペットを配置する。次に、アクチュエーターは、前記インクを混合および均質化するために、複数の吸引および排出動作を行うことを可能にする。次に、アクチュエーターは制御された量のインクのサンプルを採取することを可能にし、アームはこの量をリザーバーの領域からプリントヘッドに移送し、そこでドナーから採取した量のインクを排出する。この例の特別なケースは、ドナーの各準備の間に使い捨てコーンを使用することである。ドナーの準備が終了してからレーザー印刷が開始されるまでの時間を最小限に抑えることが不可欠である。この目的のために、レシピエントを運ぶロボットのエフェクターは、ピペッターとアクチュエータシステムを運ぶことができ、インク堆積システムと印刷レシピエントシステム間の移動距離を最小限に抑えることができる。図７は、この例を示す。

ドナー準備の別の非限定的な例は、空気圧システムの使用に基づくものである。この構成では、正圧および負圧コントローラーにより液体の排出と吸引が可能になり、電磁弁システムにより圧力コントローラーをシステムの残りの部分から切り離すことができ、チューブによって先行する要素を、例えばピペッティングコーン（５０）のようなサンプリングヘッドに空気的に接続することができる。この構成では、次の式に従って加圧「デルタＰ」の時間「ｔ」を通じて、「オメガ」の摂取量を制御することができる：オメガ＝デルタＰ／Ｒｈ＊ｔ、ここで、Ｒｈは流体力学的抵抗を表す。アクチュエーター付きのピペットに基づく以前のシステムとは異なり、流体力学的抵抗はリザーバーの形状やその中のサンプリングコーンの位置などの条件に強く依存するため、吸引量の正確な制御はより困難である。したがって、インクを含むリザーバーは、正確な量で事前に分注することができる（たとえば、３８４ウェルプレートのウェルあたり１２μｌ）。空気圧システムを使用してピペッティングする場合、大量に採取した場合でも、事前に定義されたボリュームと、無害な役割を果たす空気のボリュームで構成される。このシステムのサンプリング精度を高めるために、制御ツール（たとえば、サンプリングされた液体の高さを監視する）とフィードバックループ（それに応じて圧力を調整する）を設定できる。この例を図８に示す。

ロボットは、空間内のプリントヘッドの位置を調整する手順を実行することもできる。実際、押し出しまたはマイクロバルブによる印刷には、印刷針とレシピエントの表面との相対的な位置関係を完全に把握する必要がある。前記レシピエントは、これらの針に対してそれを正確に位置決めするロボットによって運ばれるので、ロボット上の針の位置を測定する機能を追加することが可能である。したがって、いつでも手の位置を再調整できる。この操作を実行するための測定手段は、例えば、光学フォーク、機械的フィーラー、カメラ、レーザービームなどのような異なるタイプのものであり得る。

ロボットアームとターゲット間のリンクを考えると、印刷経路はロボットアーム自体によって提供され、プリントヘッドは静止したままになる。したがって、印刷時間は、ロボットの速度と精度に部分的に依存し、ロボットの速度と精度は、目的のアプリケーションと印刷するオブジェクトの種類に応じて選択される。印刷ファイルはまた、ターゲットの位置に関して計算され、従来技術の場合のようにプリントヘッドの位置に関して計算されないので、特定のものになる。実際、ロボットの仕様および印刷パターンの計算に強く関連する印刷経路の最適化は、本発明で説明される構成に固有である。したがって、「巡回セールスマン」または機械学習タイプの数学的最適化により、印刷時間を最小限に抑えながら、所望のパターンが得られ、以前に印刷された層が維持される（急な動きや過度に速い動きがない）ようにしながら、印刷時間を最小化することが可能になる。印刷物の細胞生存率の維持と両立する短い印刷時間を確保するために、リアルタイムで機能するアルゴリズムの実装が必要である。これに関連して、プログラマブルロジックコントローラーを使用すると、さまざまなセンサー、ロボットアーム、エフェクター、印刷ヘッド、特性評価手段などのリアルタイム管理を通じて、印刷の全体的な最適化も可能になる。より一般的には、自動化／ロボット工学のこの分野は非常に高度に標準化されており、臨床部門の３つの重要な要件であるパフォーマンス、再現性、および安全性を同時に確保できるため、自動化は医療バイオプリンティングアプリケーションの利益に直接役立つ。

途中で印刷を最適化し、印刷後の分析を通じて将来の印刷（経路、印刷条件、印刷モードなど)を最適化するために、ロボットが配置されている筐体内でセンサーと測定値を大量に使用する必要がある。後者は、今日広く使用されている大量の情報処理（ビッグデータ）とアルゴリズム（機械学習、深層学習）の開発に基づいている。特定の実施形態を予測できるため、人工知能を使用してロボットバイオプリンティングプロセスを最適化できると想像することさえできる。

そのようなバイオプリンターの外部、特にデータベースへの接続は、すべてのプリントを計測および監視することを可能にし、したがって、アプリケーションレベルで目的に完全に合致した組織を提供するバイオプリンターの能力を飛躍的に向上させることができることは、容易に理解されよう。

本ソリューションは、印刷モードが上向きか下向きかにかかわらず、ターゲットを 360°回転させることができるロボットアームの使用と互換性があるという意味で普遍的である。したがって、レーザーによる細胞の上方への印刷と、押し出しまたはマイクロバルブによる生体材料の下方への印刷は、６軸ロボットアームの寄与により、同じバイオプリンター内で共同で使用でき、各印刷方法の最もよく知られている構成を利用できる。

１つの変形例によれば、複数のロボットアームを統合することが可能である。例えば、第１のロボットアームは、印刷前の操作に専念し、別のロボットアームは印刷に専念し、最後のロボットアームは印刷後の段階に専念することができる。これにより、ユーザー側の手動操作はなくなる。ここでは、さまざまなマルチロボット構成が可能である。ロボットアームは、筐体の一部を形成するかどうかにかかわらず、他の自動または手動の搬送手段に関連付けることもできる。

別の変形例によれば、ロボットアームは、複数の静止プリントヘッドに関してプリントを平行化するために、１つまたは複数のエフェクターを介して複数のターゲットを輸送することができる。このタイプの構成は、バイオプリンティングが、特に生産モードで、生産する組織の量または数の高いスループットを必要とする場合に有利である。

別の変形例によると、ロボットアームは（そのエフェクターを介して）照明、イメージング、加熱、位置センサーなどのアクティブな機能を含むことができ、以下のことが可能になるようにターゲットを計測することができる。
－より長い印刷、
－キャリブレーション、
－印刷中のターゲット固有のデータの収集、
－印刷段階での印刷物の直接特性評価(インライン測定)。

１つの変形例によれば、ロボットアームは、臨床グレードの組織の製造を可能にするために、ＧＭＰ（医薬品分野の要求事項）に適合する。

一実施形態によれば、システムは、ロボットによって移動されるターゲットの一連の画像を生成するカメラからなるターゲットのデジタルモデルを取得するためのステーションを含む。

別の変形例によれば、システムは、ロボットの基準フレームに生物学的材料の移送を受けることを意図した関心領域の位置を再計算するために、ターゲット、特に生きているまたは変形可能なターゲットを分析する１つ以上のカメラを備え、ロボットは、前記ターゲットの構成に従ってリアルタイムで経路を再計算する。

押出成形製造モードの場合、ロボットは、ノズルの押出オリフィスの遠位面の位置を正確に較正するために、初期化段階で押出ヘッドの前に位置センサーを配置する。

別の変形例によれば、システムは、ターゲットの移動を確実にするための人間の相互作用手段と、前記ロボットの移動を制御するためのロボット手段とを含む。この変形により、特に、ロボットの動作によって補完される人間の動作によって、移動のトレーニングまたは移動のスレーブ化を実行することができる。

特定の動作モードによると、ロボットはエフェクターの回転を制御して、レーザー印刷の際にバイオインクフィルムを確実に広げる。

他の変形例によれば、システムは、経路を最適化するためのアルゴリズムに従ってロボットの関節を制御するためのプログラムを実行するコンピューターによって制御される。この目的のために、ロボットの位置を検出するためのセンサーと、最適な経路を決定するための学習プロセスなどを備えている。

このシステムは、外科用ブロックに直接実装できるように、滅菌できるように設計されている。

別の変形例によれば、印刷手段（例えば、レーザー）は、ロボットおよびターゲットと同じ空間に配置されている。この場合、印刷媒体は、印刷プロセスに干渉しないように粒子の放出を最小限に抑えるように設計する必要がある。このシナリオは、バイオプリンティングシステム全体が１つの空間に実装されている状況に対応しており、この空間は、開放された筐体であったり、閉鎖された筐体であったり、バイオプリンティング専用の部屋であったりする。

Claims (14)

1. 少なくとも一部が生物学的粒子（細胞および細胞誘導体）によって構成される材料から、構造化された生物学的材料を製造するためのバイオプリンティングシステムであって、
   ａ）生物学的に関心のある対象物を印刷するための少なくとも１つのプリントヘッドと、少なくとも１つのターゲットとを含む印刷アセンブリと、
   ｂ）プリントヘッドに前記生物学的に関心のある対象物を供給するための供給源と、
   ｃ）前記生物学的に関心のある対象物をバイオプリントする手段と、
   ｄ）前記ターゲットに対して前記プリントヘッドを相対的に移動させる移動手段と、
   を備え、
   6つの軸に沿って前記ターゲットの移動を制御するロボットによって構成され、プリントヘッドの少なくとも1つは、印刷段階では静止していることを特徴とするバイオプリンティングシステム。
2. 前記ロボットは、６つの自由度を有するロボットアームであり、位置決めのための３つの軸と、各回転軸に対して少なくとも１８０°に沿った配向のための３つの軸を有し、所定の作業空間において前記ターゲットを移動および配向させることが可能であり、その移動のコースは前記ターゲットの最大寸法よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
3. 前記ロボットは六脚タイプであることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
4. 前記ロボットはデルタタイプであることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
5. 前記ロボットは六脚タイプ、または、デルタタイプであり、および、前記ターゲットを回転させるための手段を備えことを特徴とする、請求項３または請求項４に記載のバイオプリンティングシステム。
6. 前記ターゲットがエフェクターによって前記ロボットにリンクされていることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
7. システムは、複数のターゲット（６）を受け取るための支持体（３０）を含み、前記ロボットは、バイオプリンティング手段に対する移動のためのターゲットの抽出を制御することを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
8. システムは、追加機能 (ピペッティングなど) 用の第２のロボットを備えていることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
9. 前記バイオプリンティングシステムは、少なくとも1つのレーザーバイオプリンティング手段が組み込まれていることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
10. 前記バイオプリンティングシステムは、少なくとも１つのノズルバイオプリンティング技術が組み込まれていることを特徴とする、請求項１に記載のバイオプリンティングシステム。
11. 前記バイオプリンティングシステムには、ノズルとレーザーバイオプリンティング技術の組み合わせを統合したものであることを特徴とする、請求項１０に記載のバイオプリンティングシステム。
12. 少なくとも一部が生物学的粒子（細胞および細胞誘導体）で構成される材料から、構造化された生物学的材料を製造するためのバイオプリンティング方法であって、印刷段階において、少なくとも１つの静止したプリントヘッドに対する、ロボットによる少なくとも１つのターゲットの３次元的な移動を制御することで構成されるバイオプリンティング方法。
13. この方法は、少なくとも１つの追加のワークステーションに対して前記ターゲットを移動させることをさらに含む、請求項１２に記載のバイオプリンティング方法。
14. 非平面を有するターゲットとプリントヘッドとの間の一定の距離を維持するために、前記移動が制御されることを特徴とする、請求項１３に記載のバイオプリンティング方法。

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