JP2022511527A - ３ｄバイオプリンタ用のプリントヘッドアセンブリ - Google Patents

Abstract

３Ｄバイオプリンタに適するプリントヘッドアセンブリ（１００）であって、少なくとも一つのリザーバ（１０６）、少なくとも一つのリザーバ（１０６）と流体連通し、流体を少なくとも一つのリザーバ（１０６）に誘導するように構成されたサンプルローディングシステム（１０２）、及び、少なくとも一つのリザーバ（１０６）と流体連通し、少なくとも一つのリザーバ（１０６）から流体を分配するように構成された少なくとも一つの分配口（１２６）を有する分配システム（１０３）、を含む。【選択図】図２

Description

関連出願への相互参照
本願は、２０１８年１２月６日に出願され、本願に援用されているオーストラリア仮特許出願第２０１８９０４６４１号に対して優先権を主張するものである。

この技術は、細胞や試薬の印刷に適する３Ｄプリンタ用のプリントヘッドアセンブリに関連している。

体外細胞生物学の主力は、初代細胞又は不死化細胞をプラスチックやガラスの表面に単純に播種する細胞培養である。細胞増殖、分化、外部刺激に対する応答など、多くの細胞特性は、体内の２Ｄ環境における細胞と３Ｄ環境における細胞とでは根本的に異なる。特に医薬品開発や精密医療プログラムの場合、３Ｄ動物環境をより良く反映し、動物実験の失敗を低減し得る細胞培養条件が非常に有利となる。

例えば、癌細胞生物学において、３Ｄモデルは、２Ｄ細胞培養モデルと比べて、低酸素領域、化学的因子と生物学的因子の勾配分布、血管新生促進、多剤耐性タンパク質の発現など、より多くの体内腫瘍様の特徴を示す。

このため、３Ｄ多細胞モデルは一般的に、より多く使われる２Ｄ細胞培養よりも優れた体内システムのモデルと見なされている。また、多細胞生物学におけるほとんどの細胞構造は、三次元的に組織化されている。

多くの３Ｄバイオプリンタが市販されており、例えば、ＥｎｖｉｓｉｏｎＴＥＣの３Ｄ－Ｂｉｏｐｌｏｔｔｅｒ（登録商標）、ＧｅＳｉＭのＢｉｏＳｃａｆｆｏｌｄｅｒ、ＣｅｌｌｉｎｋのＢｉｏ Ｘ、ＲｅｇｅｎＨＵのＢｉｏＦａｃｔｏｒｙ（登録商標）、ＢｉｏＢｏｔｓのＢｉｏＢｏｔ ２などが挙げられる。市販の３Ｄバイオプリンタは、最も一般的には、マイクロ押出、サーマルインクジェット、又は圧電インクジェット技術に基づいている。市販の３Ｄバイオプリンタに最も一般的に採用される構成は、カートリッジ（例えばＮｏｒｄｓｏｎ Ｏｐｔｉｍｕｍ（登録商標）Ｓｙｒｉｎｇｅ Ｂａｒｒｅｌｓなど）を使用して物質をプリンタにロードする構成である。このようなカートリッジは、多くの場合、単一のプリントヘッドに結合される。よって、カートリッジの充填、取り扱い、取り付け、及び取り外しの際には、無菌状態を維持し難い。

３Ｄバイオ印刷アプリケーション用の臓器又は組織アーキテクチャの３Ｄモデルの設計は、主に、
（ａ）データ収集のための非侵襲的医用画像技術（例：コンピュータ断層撮影（ＣＴ）や磁気共鳴画像（ＭＲＩ））、並びに
（ｂ）情報のデジタル化、３Ｄレンダリングされたモデルの生成、２Ｄ断面画像の生成に用いられるコンピュータ支援設計・コンピュータ支援製造（ＣＡＤ－ＣＡＭ）ツール及び数学的モデリング、に基づいている。

３Ｄ細胞培養モデルを、調整性、再現性、高い費用効果を有する方法で創薬、個別化医療、一般細胞生物学に適用できるツールと技術が必要である。

本発明者らは、細胞及び試薬の印刷に適する３Ｄバイオプリンタ用プリントヘッドアセンブリを開発した。

第１の態様では、３Ｄバイオプリンタに適するプリントヘッドアセンブリであって、
リザーバ、
リザーバと流体連通し、流体をリザーバに誘導するように構成されたサンプルローディングシステム、及び
リザーバと流体連通し、リザーバから流体を分配するように構成された分配口を有する分配システム、を含む、プリントヘッドアセンブリを提供する。

一実施形態において、
リザーバは複数のリザーバの一つである。
サンプルローディングシステムは、各リザーバと流体連通し、流体を複数のリザーバのいずれか一つに誘導するように構成される。
分配口は、複数の分配口の一つである。
各分配口は、前記複数のリザーバの一つと流体連通し、各リザーバから流体を分配するように構成される。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、容器から流体を引き出し、当該流体で複数のリザーバのいずれか一つをプライミングするように構成される。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、複数のリザーバと流体連通するマニホールドを含み、当該マニホールドは、流体を複数のリザーバのいずれか一つに誘導するように構成されている。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、複数のプライミング流体ラインを更に含み、各プライミング流体ラインは、流体連通している一つのリザーバをマニホールドに結合する。

一実施形態において、
各リザーバは、リザーバ出口とリザーバ入口とを有し、
各分配口は、複数のリザーバの一つにおけるリザーバ出口と流体連通し、
各プライミング流体ラインは、マニホールド、及び複数のリザーバの一つにおけるリザーバ入口と流体連通している。

一実施形態において、各分配口は、分配流体ラインにより複数のリザーバの一つにおけるリザーバ出口に流体連通で結合される。

一実施形態において、各分配流体ラインは、粒子が各分配口に沈降することを低減するように構成された粒子トラップを含む。

一実施形態において、粒子トラップは、分配ラインにおける一つ以上のループにより形成される。

一実施形態において、各プライミング流体ラインは、
流体がマニホールドから各リザーバに流れることを可能にする開放構成と、
流体がマニホールドから各リザーバに流れるのを防ぐ閉鎖構成と、を有する弁を含む。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、マニホールドの入口と流体連通で結合され、流体をサンプルローディングシステムに引き込み、流体をサンプルローディングシステムからリザーバのいずれか一つにポンプで送り込むように構成されたポンプを含む。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、マニホールドの入口と流体連通するマニホールド弁を含み、当該マニホールド弁は、
流体がマニホールドの入口を通ってマニホールドに流入することを可能にする開放構成と、
流体がマニホールドの入口を通ってマニホールドに流入することを防止する閉鎖構成と、を有する。

一実施形態において、閉鎖構成のマニホールド弁は、マニホールドの入口を通ってマニホールドから流体が流出することを防止する。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、マニホールドの入口と流体連通し、容器から流体を引き出すために容器に挿入されるように構成されるニードルを更に含む。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、ニードルを容器に挿入して容器から流体を引き出し、ニードルを容器から引き抜くように構成されたアクチュエータを更に含む。

一実施形態において、マニホールドは、マニホールドの出口から流出する流体を検出するように構成されたセンサを有する。

一実施形態において、各リザーバは、加圧ガス源に流体連通で結合され、各リザーバを加圧するように構成される。

一実施形態において、各リザーバは、 圧力調整器に結合され、各リザーバ内の圧力を調整するように構成される。

一実施形態において、各分配口は、
各リザーバから流体を分配することを可能にする開放構成と、
流体が各リザーバから分配されるのを防ぐ閉鎖構成と、を有するノズルである。

一実施形態において、プリントヘッドアセンブリは、各リザーバ、サンプルローディングシステム、及び分配システムが配置されているハウジングを更に含む。

一実施形態において、サンプルローディングシステムは、ポンプと流体連通で結合され、当該ポンプは、流体をサンプルローディングシステムに引き込み、流体をサンプルローディングシステムからリザーバのいずれか一つにポンプで送り込むように構成される。

一実施形態において、プリントヘッドアセンブリは、プリントヘッドアセンブリの動作を制御するように構成された電子機器アセンブリを更に含む。

第２の態様では、細胞を印刷する３Ｄバイオプリンタであって、
第１の態様によるプリントヘッドアセンブリ、
３Ｄ細胞構造を制作できる基板を配置する印刷ステージ、及び
カートリッジレセプタクルを含む、バイオプリンタを提供する。

細胞を印刷する３Ｄバイオプリンタが開示され、当該バイオプリンタは、
第１の態様によるプリントヘッドアセンブリ、
３Ｄ細胞構造を制作できる基板を配置する印刷ステージ、
カートリッジレセプタクル、及び
サンプルローディングシステムと流体連通し、流体をサンプルローディングシステムに引き込み、流体をサンプルローディングシステムからリザーバのいずれか一つにポンプで送り込むように構成されたポンプ、を含む。

一実施形態において、バイオプリンタは、プリントヘッドアセンブリ、印刷ステージ、及びカートリッジレセプタクルが配置されるハウジングを更に含む。

一実施形態において、ハウジングは、バイオプリンタの内部へのアクセスを可能にする開放位置と、バイオプリンタの内部へのアクセスを防止する閉鎖位置とを有するアクセスドアを含む。

一実施形態において、バイオプリンタは、各リザーバ内の圧力を調整するために各リザーバに流体連通で結合され、各リザーバを加圧するための加圧ガス源に流体連通で結合されるように構成された圧力調整システムを更に含む。

一実施形態において、圧力調整システムは、圧力調整システムを加圧ガス源に流体連通で結合するように構成されたコネクタを含む。

一実施形態において、コネクタはハウジングから突出している。

一実施形態において、圧力調整システムは、各リザーバと流体連通し、加圧ガス源に流体連通で結合されるように構成されたレギュレータマニホールドを含む。

一実施形態において、各リザーバは、圧力調整器によってレギュレータマニホールドに流体連通で結合され、各圧力調整器は、それぞれのリザーバ内の圧力を調整するように構成される。

一実施形態において、流体連通のポンプをサンプルローディングシステムに結合し、流体連通の各リザーバを圧力調整システム及びポンプに結合するセレクタ弁を更に含む。

一実施形態において、バイオプリンタは、ハウジング内に配置され、ハウジング内に気流を引導するように構成された気流システムを更に含む。

一実施形態において、気流システムは、印刷ステージ及びカートリッジレセプタクルの下に空気を引き込むように構成される。

一実施形態において、気流システムは、ハウジング内に気流を引導するブロワを含む。

一実施形態において、気流システムは、少なくとも一つの高効率粒子捕獲フィルタを含む。

一実施形態において、バイオプリンタは、カートリッジレセプタクルと印刷ステージとが配置されているホルダを更に含む。

一実施形態において、バイオプリンタは、軌道を有する第１位置決め部を更に含み、第１位置決め部は、ホルダに結合され、その軌道に沿ってホルダの位置決めを行うように構成される。

一実施形態において、バイオプリンタは、軌道を有する第２位置決め部を更に含み、第２位置決め部は、プリントヘッドアセンブリに結合され、その軌道に沿ってプリントヘッドアセンブリの位置決めを行うように構成される。

一実施形態において、第１位置決め部の軌道は、第２位置決め部の軌道に対して少なくとも略垂直に延在する。

一実施形態において、バイオプリンタは、バイオプリンタの動作を制御する制御システムを更に含む。

一実施形態において、制御システムはリーダを含み、当該制御システムはリーダを用いてカートリッジレセプタクルに挿入されたカートリッジの識別子を読み取り、カートリッジに関する情報を取得するように構成される。

一実施形態において、カートリッジに関する情報は、カートリッジに含まれる流体、特定の流体が配置される容器、カートリッジの使用の有無、及び／又はカートリッジが未使用であるか否かに関する情報を含む。

一実施形態において、リーダは、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）リーダであり、識別子は、ＲＦＩＤタグ又はラベルである。

一実施形態において、リーダは読み取り／書き込みＲＦＩＤリーダであり、識別子は書き換え可能なＲＦＩＤタグ又はラベルであり、制御システムは、読み取り／書き込みＲＦＩＤリーダを用いて書き換え可能なＲＦＩＤタグ又はラベル、及び書き込み／書き換え可能なＲＦＩＤタグ又はラベルの情報から情報を取得するように構成される。

一実施形態において、制御システムは、ユーザが特定の印刷ジョブのために制御システムに情報及び制御命令を入力できるように構成されたユーザインターフェースを含む。

第３の態様では、第１の態様によるプリントヘッドの分配システムから複数の流体液滴を分配することにより三次元（３Ｄ）細胞構造を印刷する方法を提供する。

第４の態様では、第２の態様によるバイオプリンタの分配システムから複数の流体液滴を分配することにより三次元（３Ｄ）細胞構造を制作する方法を提供する。

本技術の利点は、３Ｄ細胞構造の印刷や形成を行った後に細胞の生存率や活性を損なうことなく、細胞を印刷できることである。
定義

本明細書において、文脈が明らかに異なる場合を除き、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、或いは「含んで」、「含み」などの派生表現は、記載された要素、整数又はステップ、或いは要素、整数又はステップの群を含むが、他の要素、整数又はステップ、或いは要素、整数又はステップの群を除外するものではない。

本明細書において、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」という表現は、当該要素のみで構成されることを意味する。

本明細書に含まれている文書、行為、材料、装置、物品などに関する論議は、本技術の背景を供することのみを目的とする。これらの説明の一部又は全部が先行技術の一部を形成する、或いは、本明細書の各請求項の優先日より先だって存在していた本技術に関連する分野の一般常識であると認めるものではない。

文脈上別途の定めがない限り、又は特に反対の記載がない限り、本明細書においてある技術の整数、ステップ又は要素が単数として記載されている場合は、整数、ステップ又は要素の単数形と複数形の両方を明確に包括するものと見なす。

本明細書の文脈において、「ａ」と「ａｎ」は、冠詞の文法的目的語が一つ、又はそれ以上（つまり少なくとも一つ）であることを指すために用いられる。例えば、「ａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ」とは、要素が一つ又は複数であることを意味する。

本明細書の文脈において、「約（ａｂｏｕｔ）」とは、数字又は値を言及するとき、絶対的な数字又は値として解釈されてはならず、本技術分野に対する当業者の理解に従って数字又は値の前後のものを網羅することを意味する。これには、一般的な許容誤差や機器の制限範囲が含まれる。言い換えれば、「約」とは、当業者が同じ機能や結果を達成できるという面で提示された値と同等であると見なす範囲又は近似値を指すものである。

当業者は、本明細書に記載されている技術が、具体的に記載されていない限り、変更や修正を行い得ることを理解するはずである。本技術には、変更や修正も全て含まれることに留意されたい。誤解を避けるために、本技術は、本明細書にて参照や提示されるステップ、特長、化合物を、個別的に、或いは集合的に、全て網羅し、更には、上記のステップ、特長、化合物の２つ以上の組み合わせも全て含む。

次に、本発明の好ましい実施形態を単なる例示として、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態によるプリントヘッドアセンブリ、カートリッジ、基板、当該プリントヘッドアセンブリと共に使用し得るバイオプリンタのホルダの等角図である。

図２は、アクセスパネルが取り外された図１のプリントヘッドアセンブリの等角図である。

図３は、図１のプリントヘッドアセンブリの等角図であり、プリントヘッドアセンブリのハウジングが省略されている。

図４は、アクセスパネルが取り外された図１のプリントヘッドアセンブリの正面図である。

図５は、図１のプリントヘッドアセンブリの底面図である。

図６は、図１のプリントヘッドアセンブリを含むバイオプリンタの正面等角図である。

図７は、図６のバイオプリンタの背面等角図である。

図８は、図６のバイオプリンタの正面等角図であり、バイオプリンタのハウジングとプリントヘッドアセンブリのハウジングは、輪郭のみで描かれている。

図９は、図１のカートリッジの分解部品図である。

図１０は、図１のカートリッジ、基板、ホルダの上面図である。

図１１は、図１のプリントヘッドアセンブリと、図６のバイオプリンタの位置決め部、圧力調整システム、セレクタ弁を示す正面等角図である。

図１２は、図６のバイオプリンタの背面等角図であり、バイオプリンタのハウジングは、輪郭のみで描かれている。

図１３は、図１のプリントヘッドアセンブリと、図６のバイオプリンタの位置決め部、圧力調整システム、セレクタ弁を示す背面等角図である。

図１４は、ポンプ、セレクタ弁、プリントヘッド本体のないプリントヘッド、図６のバイオプリンタのカートリッジの背面等角図である。

図１５は、ポンプ、セレクタ弁、プリントヘッド本体のないプリントヘッド、図６のバイオプリンタのカートリッジの正面等角図である。

図１６は、図６のバイオプリンタの層流システムの背面等角図である。

図１７は、図６のバイオプリンタの層流システムの別の背面等角図である。

図１８は、図１６及び図１７の層流システムを通る気流の概略図である。

図１９は、図６のバイオプリンタの概略図である。

図２０は、図６のバイオプリンタのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）のスクリーンショットである。

図２１は、図６のバイオプリンタのＧＵＩの別のスクリーンショットです。

図２２は、図６のバイオプリンタを用いて三次元細胞構造を制作するためのフローチャートである。

図２３は、本発明の第２の実施形態によるプリントヘッドアセンブリの正面図である。

図２４は、図２３のプリントヘッドアセンブリの底面図である。

図２５は、図２３のプリントヘッドアセンブリの等角図であり、プリントヘッドアセンブリのハウジングが省略されている。

図２６は、図２３のプリントヘッドアセンブリの代替実施形態の概略図である。

図２７は、図２３のプリントヘッドアセンブリの別の代替実施形態の概略図である。

図２８Ａ～図２８Ｅは、図１及び図２３のプリントヘッドアセンブリの分配口の不感帯に細胞が沈降して生じる問題を示している。

図２９Ａ～図２９Ｅは、図１及び図２３のプリントヘッドアセンブリの分配口の不感帯に沈降する細胞を低減する一実施形態による分配ラインの例示を示す。

図３０Ａ～図３０Ｃは、図１及び図２３のプリントヘッドアセンブリの分配口の不感帯に沈降する細胞を低減する一実施形態による分配ラインの別の例示を示す。

図３１は、図１及び図２３のプリントヘッドアセンブリの分配口に沈降する細胞を低減する一実施形態による分配ラインの別の例示を示す。

プリントヘッドアセンブリの第１の例示的実施形態

図１～図５は、本発明の第１実施形態によるプリントヘッドアセンブリ１００を示している。プリントヘッドアセンブリ１００は、第１及び第２リザーバセット１０１、サンプルローディングシステム１０２、分配システム１０３を有し、これらは全て、プリントヘッドハウジング１０４内に配置される。プリントヘッドハウジング１０４のアクセスパネル１０５を取り外すと、第１及び第２リザーバセット１０１、サンプルローディングシステム１０２、分配システム１０３へのアクセスが可能になる。リザーバ１０１の第１及び第２セットは共に、四つのリザーバ１０６を有するが、各リザーバセット１０１は、四つを超えるリザーバ１０６を備えてもよく、それ未満であってもよい。

図３を参照すると、各リザーバ１０６は、略垂直に延在する長手方向軸１０７、リザーバ１０６の上部に配置されるキャップ１０８、リザーバ１０６の下部領域に配置されるリザーバ出口１０９、リザーバ出口１０９の上方に所定の高さに配置されるリザーバ入口１１０を有する。各リザーバ１０６において、キャップ１０８、リザーバ出口１０９、リザーバ入口１１０は、リザーバ１０６の内部と流体連通している。

図３～図５を参照すると、サンプルローディングシステム１０２は、第１及び第２のサブシステム１１１を有する。各サブシステム１１１は、第１セット又は第２セットのリザーバ１０１と流体連通している。サンプルローディングシステム１０２の各サブシステム１１１は、ニードル１１２、マニホールド弁１１３、プライミングマニホールド１１４を含む。各プライミングマニホールド１１４は、マニホールド入口１１５及びマニホールド出口１１６を有する。各サブシステム１１１について、ニードル１１２は、流体ライン１１８によりマニホールド弁１１３と流体連通で結合され、マニホールド弁１１３は、流体ライン１１９によりプライミングマニホールド１１４のマニホールド入口１１５に流体連通で結合される。従って、各サブシステム１１１について、ニードル１１２、マニホールド弁１１３、プライミングマニホールド１１４は、全て互いに流体連通している。

各サブシステム１１１のマニホールド弁１１３は、開放構成と閉鎖構成を有する。開放構成において、各サブシステム１１１のマニホールド弁１１３は、流体がニードル１１２からマニホールド入口１１５を通ってプライミングマニホールド１１４に流れることを可能にする。閉鎖構成では、各サブシステム１１１のマニホールド弁１１３は、流体がニードル１１２からマニホールド入口１１５に流入することを防止し、更には、流体がプライミングマニホールド１１４からマニホールド入口１１５を通ってニードル１１２に向かって流出することを防止する。マニホールド弁１１３は通常は閉鎖状態のソレノイド弁であってもよいが、当技術分野で周知のその他の弁／ノズルを使用してもよい。

図２～図４を参照すると、センサ１１７は、それぞれのプライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に配置される。各プライミングマニホールド１１４について、センサ１１７は、マニホールド出口１１６を通ってプライミングマニホールド１１４から流出される流体を検出するように構成される。或いは、各プライミングマニホールド１１４について、センサ１１７をマニホールド入口１１５に配置し、マニホールド入口１１５を通ってプライミングマニホールド１１４に流入する流体を検出するように構成してもよい。各プライミングマニホールド１１４について、マニホールド入口１１５に配置され、マニホールド入口１１５を通ってプライミングマニホールド１１４に流入する流体を検出するように構成されたセンサ１１７と、マニホールド出口１１６に配置され、マニホールド出口１１６を通ってプライミングマニホールド１１４から流出する流体を検出するように構成されたセンサ１１７とを想定することができる。センサ１１７は、光学センサであってもよいが、当該技術分野で周知のその他のセンサを使用してもよい。

各リザーバ１０６のリザーバ入口１１０は、逆止弁１２１を有するプライミング流体ライン１２０によって、流体連通においてプライミングマニホールド１１４の一つに結合される。各プライミング流体ライン１２０について、逆止弁１２１は、開放位置及び閉鎖位置を有する。開放位置において、逆止弁１２１は、流体がそれぞれのプライミングマニホールド１１４からプライミング流体ライン１２０を通ってそれぞれのリザーバ１０６に流れることを可能にする。閉鎖位置において、逆止弁１２１は、流体がプライミング流体ライン１２０からそれぞれのプライミングマニホールド１１４に流出することを防止し、それぞれのプライミングマニホールド１１４からそれぞれのプライミング流体ライン１２０に流出することを防止する。逆止弁１２１と同じ、或いは同様の機能を実行できる、当技術分野で周知のその他の弁を使用することも想定できる。例えば、制御システムを介して開閉できるアクティブ弁を使用してもよい。

サンプルローディングシステム１０２の各サブシステム１１１は、リザーバセット１０１の一つと流体連通し、ニードル１１２から各リザーバセット１０１におけるリザーバ１０６のいずれか一つに流体を誘導できることに留意されたい。

図４及び図５を参照すると、サンプルローディングシステム１０２は、二つのニードル１１２に結合されたアクチュエータ１２２を有する。アクチュエータ１２２は、ニードル１１２のポイント１２３がプリントヘッドハウジング１０４の開口部１２４から突出するようにニードル１１２を前進させるように構成される。アクチュエータ１２２はまた、ニードル１１２のポイント１２３がプリントヘッドハウジング１０４内に配置されるように、開口部１２４を通してニードル１１２をプリントヘッドハウジング１０４内に引き戻すように構成される。アクチュエータ１２２は、ニードル１１２を同時に前進及び後退させるものとして説明及び図示されているが、各ニードル１１２が独立して前進及び後退できるように、各ニードル１１２がアクチュエータ１２２を有し得ることも想定される。

図３及び図５を参照すると、分配システム１０３は、複数の分配流体ライン１２５を含み、各分配流体ラインは、リザーバ１０６の一つのリザーバ出口１０９と流体連通で結合されている。各分配流体ライン１２５に流体連通で結合されているのは、通常は閉鎖構成及び開放構成を有するノズルの形態の分配口１２６である。各分配流体ライン１２５について、分配口１２６が開放構成であると、流体は、分配口１２６から分配されるために、リザーバ出口１０９を通り、分配流体ライン１２５を通り、それぞれのリザーバ１０６から流出することができる。各分配流体ライン１２５について、分配口１２６が閉鎖構成であると、流体が分配口１２６から分配されるのが防止される。各分配口１２６は、マイクロソレノイド弁であってもよいが、当技術分野で周知のその他の弁を使用してもよい。

図５を参照すると、分配口１２６は、各分配口１２６が穴１２７を通してプリントヘッドアセンブリ１００から流体を分配するように構成されるように、プリントヘッドハウジング１０４の穴１２７と整列される。

図３を参照すると、各リザーバ１０６について、分配流体ライン１２５の体積、及びリザーバ１０６内のリザーバ入口１１０とリザーバ出口１０９との間の体積が、所定の体積を定義する。所定の体積は、各リザーバ１０６について、リザーバ出口１０９とリザーバ入口１１０との間の高さの差をそれぞれ増加又は減少させることによって増加又は減少させることができる。所定の体積はまた、分配流体ライン１２５の体積を増加又は減少させることによって増加又は減少させることができる。所定の体積を増加させた場合、リザーバ１０６内を流れる流体が各プライミング流体ライン１２０に後退することを低減し、場合によっては防止することができる。

プリントヘッドアセンブリ１００は、各マニホールド弁１１３、各センサ１１７、各分配口１２６、及びアクチュエータ１２２に電気的に接続された電子機器アセンブリ１２９を更に備える。電子機器アセンブリ１２９は、各マニホールド弁１１３及び各分配口１２６をそれぞれの開放構成と閉鎖構成の間で移動させるように構成される。電子機器アセンブリ１２９はまた、アクチュエータ１２２を制御して、ニードル１１２のポイント１２３をプリントヘッドハウジング１０４から前進させ、またニードル１１２のポイント１２３をプリントヘッドハウジング１０４に後退させるように構成される。

電子機器アセンブリ１２９は、電子機器アセンブリ１２９を制御システム２７２（以下で説明する）に電気的に接続するように構成された電気ポート１３０を有する。電子機器アセンブリ１２９はまた、プリントヘッドアセンブリ１００の内部又は外部にある他の電気機器に電気的に接続することができる電気コネクタ１３１を有する。電子機器アセンブリ１２９は、電気コネクタ１３１を含んでも含まなくてもよい。

図６～図８は、プリントヘッドアセンブリ１００を使用して三次元（３Ｄ）細胞構造を制作するためのバイオプリンタ２００を示す。バイオプリンタ２００は、３Ｄ細胞構造を印刷するためのプリントヘッドアセンブリ１００、取り外し可能なカートリッジ２３２、及び３Ｄ細胞構造がその上／内に印刷される取り外し可能な基板２３３を有する。プリントヘッドアセンブリ１００、カートリッジ２３２、基板２３３は、ハウジング２３４内に配置されている。

図９及び図１０を参照すると、カートリッジ２３２は、トレイ２３５、ベース２３６、ベース２３６と取り外し可能に係合するように構成された蓋２３７を備える。

トレイ２３５は、複数の密封容器２３８、複数の非密封容器２３９、洗浄容器２４０、廃棄物スロット２４１を有する。複数の密封容器２３８のそれぞれは、例えば、バイオインク、又は活性剤などの流体を含み得る（これらは、下記でより詳細に説明される）。複数の非密封容器２３９は、例えば、細胞懸濁液、細胞培養培地、細胞インク、細胞培養溶液、又は溶液中の薬物など、ユーザにより選択された流体を受け入れるように構成される。洗浄容器２４０は、例えば、水やエタノールなどの洗浄液を含む。

複数の密封容器２３８及び洗浄容器２４０は、トレイ２３５に結合されたシール２４２によって密封されている。シール２４２は、トレイ２３５上にヒートシールされたフィルムであってもよいが、複数のシールされた容器２３８及び洗浄容器２４０を密封できる当該技術分野で周知のその他のシールも使用してもよい。

ベース２３６は、内部空間２４３及びベース２３６の外面に結合された識別子２４４を有する。識別子２４４は、例えば、カートリッジ２３２に含まれる流体、複数の密封容器２３８のうち特定の流体を含む容器、カートリッジ２３２の今までの使用有無、及び／又は、カートリッジ２３２が未使用であるか否かなど、カートリッジ２３２に関する情報を含んでもよい。識別子２４４は、読み取り専用の無線周波数識別（ＲＦＩＤ）又は近距離無線通信（ＮＦＣ）タグ又はラベル、或いは書き換え可能なＲＦＩＤ又はＮＦＣタグ又はラベルのいずれかであってもよい。

トレイ２３５は、ベース２３６の内部空間２４３に受け入れられ、ベース２３６に取り外し可能に結合されるように構成される。トレイ２３５がベース２３６に取り外し可能に結合される時、トレイ２３５の下側及びベース２３６の内面は、トレイ２３５の廃棄物スロット２４１と流体連通するベース２３６の内部空間２４３に廃棄物空間（図示せず）を区画する。従って、廃棄物スロット２４１を通過する流体は、ベース２３６の廃棄物空間に収集される。ベース２３６の寸法は、廃棄物空間が、密封容器２３８、非密封容器２３９、及び洗浄容器２４０の合計量よりも大きくなるように設定する。従って、廃棄物空間は、密封容器２３８、非密封容器２３９、洗浄容器２４０の全ての流体内容物を受け入れられる大きさとなる。

トレイ２３５がベース２３６の内部空間２４３に受け入れられ、蓋２３７がベース２３６に取り外し可能に結合される時、トレイ２３５は、ベース２３６及び蓋２３７によって区画されるチャンバ内に封入される。

図１及び図１０を参照すると、プリントヘッドアセンブリ１００は、３Ｄ細胞構造を、９６個のウェルを有するウェルプレートである基板２３３上に印刷するように構成される。但し、ウェルを有するマルチウェルプレートであれば、ウェルの数に関わらず使用することができる。プリントヘッドアセンブリ１００は、３Ｄ細胞構造をペトリ皿又は他の適切な媒体に印刷するように構成されることも想定される。

図８及び図１０を参照すると、ハウジング２３４は、レセプタクル２４６及び印刷ステージ２４７を有するホルダ２４５を有する。カートリッジ２３２は、レセプタクル２４６に取り外し可能に受け入れられ、基板２３３は、印刷ステージ２４７上で取り外し可能に支持される。ホルダ２４５は、制御システム２７２（下記で説明する）に電気的に接続されたリーダ（図示せず）を有する。カートリッジ２３２がレセプタクル２４６で受け入れられると、リーダは、カートリッジ２３２の識別子２４４を読み取ってカートリッジ２３２に関する情報を取得し、この情報を制御システム２７２に渡すように構成される。

リーダは、それぞれのＲＦＩＤ、或いはＮＦＣタグ又はラベル上の情報の読み取り・書き換えができる読み取り／書き込みＲＦＩＤ又はＮＦＣリーダであってもよい。識別子２４４がＮＦＣタグ又はラベルの読み取り専用ＲＦＩＤである場合、ＮＦＣリーダの読み取り／書き込みＲＦＩＤは、それぞれのＲＦＩＤ、或いはＮＦＣタグ又はラベルからのみ情報を取得できる。識別子２４４がＮＦＣタグ又はラベルの書き換え可能なＲＦＩＤである場合、ＮＦＣリーダの読み取り／書き込みＲＦＩＤは、ＮＦＣタグ又はラベルのそれぞれの書き換え可能なＲＦＩＤから情報を取得し、情報を書き換えることができる。

図９及び図１０を参照すると、カートリッジ２３２のベース２３６は面取り２４８を有し、レセプタクル２４６の隅２４９は、面取り２４８を補完する形状を有する。面取り２４８及び隅２４９により、カートリッジ２３２は特定の方向でのみレセプタクル２４６に挿入できるので、密封容器２３８、非密封容器２３９、洗浄容器２４０、廃棄物スロット２４１が、レセプタクル２４６内で誤った方向を向けることがなくなる。

図８及び図１１を参照すると、ハウジング２３４は、ホルダ２４５に結合された第１位置決め部２５０を有する。第１位置決め部２５０は、軌道２５１を有し、軌道２５１の長さに沿った任意の場所にホルダ２４５を移動／位置決めするように構成される。従って、第１位置決め部２５０は、軌道２５１の長さに沿った任意の場所にカートリッジ２３２及び基板２３３を移動／位置決めすることができる。

ハウジング２３４は更に、プリントヘッドハウジング１０４に結合された第２位置決め部２５２を有する。第２位置決め部２５２は、軌道２５３を有し、軌道２５３の長さに沿った任意の場所にプリントヘッドアセンブリ１００を移動／位置決めするように構成される。第２位置決め部２５２の軌道２５３は、第１位置決め部２５０の軌道２５１に対して略垂直に延在する。第１位置決め部２５０及び第２位置決め部２５２は一緒になって、プリントヘッドアセンブリ１００をカートリッジ２３２及び／又は基板２３３上に配置／移動することを可能にする。

図１１～図１３を参照すると、圧力調整システム２５４がハウジング２３４内に配置されている。圧力調整システム２５４は、複数の圧力調整器２５６を有するレギュレータマニホールド２５５を有する。圧力調整システム２５４は更に、ハウジング２３４から突出するコネクタ２５７を有する。コネクタ２５７は、レギュレータマニホールド２５５と流体連通しており、加圧ガス源に流体連通で結合されるように構成されている。加圧ガス源は、例えば、空気圧縮機又はポンプであってもよい。

セレクタ弁２５８は、ハウジング２３４内に配置され、セレクタ弁２５８により選択され得る、複数の入力接続部２５９、複数の出力接続部２６０、複数のチャネル２６１を有する。

各圧力調整器２５６は、セレクタ弁２５８の入力接続部２５９の一つに流体連通で結合される。各リザーバ１０６のキャップ１０８は、セレクタ弁２５８の出力接続部２６０の一つに流体連通で結合される。従って、セレクタ弁２５８は、流体連通において各リザーバ１０６の内部を、圧力調整システム２５４の圧力調整器２５６の一つに結合する。従って、各リザーバ１０６の内部は、コネクタ２５７に結合された加圧ガス源によって加圧することができる。各圧力調整器２５６は、それぞれのリザーバ１０６内の圧力を調整し、それぞれのリザーバ１０６内の圧力を増減することができる。

各プライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６は、各マニホールド出口１１６が圧力調整器２５６の一つと流体連通するように、セレクタ弁２５８の出力接続部２６０の一つに流体連通で結合される。従って、サンプルローディングシステム１０２の各サブシステム１１１は、圧力調整システム２５４と流体連通している。従って、サンプルローディングシステム１０２の各サブシステム１１１は、コネクタ２５７に結合された加圧ガス源から加圧ガスを受け入れることができる。

図１４及び図１５を参照すると、ハウジング２３４内には、セレクタ弁２５８のチャネル２６１の一つに流体連通で結合されたプリンタポンプ２６２が配置されている。セレクタ弁２５８は、二つのプライミングマニホールド１１４のいずれかのマニホールド出口１１６と流体連通するようにプリンタポンプ２６２に結合されたチャネル２６１を選択的に結合することができる。このとき、プリンタポンプ２６２は、それぞれのマニホールド出口１１６を介してサンプルローディングシステム１０２と流体連通している。プリンタポンプ２６２に結合されているプライミングマニホールドチャネル２６１が選択されない場合、プリンタポンプ２６２は、プライミングマニホールド１１４のいずれかのマニホールド出口１１６とも流体連通しておらず、マニホールド出口１１６は、圧力調整システム２５４と流体連通している。

セレクタ弁２５８はまた、プリンタポンプ２６２と流体連通している各リザーバ１０６のキャップ１０８を選択的に結合することができる。プリンタポンプ２６２がリザーバ１０６のキャップ１０８と流体連通しているとき、プリンタポンプ２６２は、リザーバ１０６の内部に負圧又は正圧を加えるように構成される。

図６を参照すると、ハウジング２３４は、開放位置及び閉鎖位置を有するアクセスドア２６３を有する。開放位置では、アクセスドア２６３は、ハウジング２３４内の印刷領域２７６へのアクセスを可能にする。閉鎖構成では、アクセスドアは、ハウジング２３４内の印刷領域２７６へのアクセスを制限／防止する。

図１６～図１８を参照すると、層流システム２６４がハウジング２３４内に配置されている。層流システム２６４は、ホルダ２４５の下方に延在する第１流路２６５、印刷領域２７６から分離されその後方に延在する第２流路２６６、ハウジング２３４内に気流を引導するためのブロワ２６７、ホルダ２４５（図６を参照）の下方に配置される格子２６８、ハウジング２３４の内部と流体連通するリサイクル高効率粒子捕獲（ＨＥＰＡ）フィルタ２６９、周囲環境と流体連通する排気ＨＥＰＡフィルタ２７０を有する。

図１８を参照すると、ブロワ２６７は、第１流路２６５及び第２流路２６６と流体連通している。ブロワ２６７は、潜在的に汚染された空気を格子２６８を通って第１流路２６５に引き込むことにより、ホルダ２４５の下方に気流を引導するように構成される。ブロワ２６７は、汚染された空気を第２流路２６６に送り込むことにより、第２流路２６６を通る気流を強制するように構成される。第１流路２６５及び第２流路２６６を通って流れる気流の流量は、ブロワ２６７の毎分回転数（ｒｐｍ）をそれぞれ増加又は減少させることによって増加及び減少させることができる。

図１８から分かるように、ハウジング２３４に引き込まれた外気は、第１流路２６５に引き込まれ、ホルダ２４５の下方を流れる。これにより、外気の量が減少し、基板２３３及び基板２３３に印刷された任意の３Ｄ細胞構造を潜在的に汚染する可能性のある、基板２３３上を流れる気流中の汚染物質が減少する。

第２流路２６６を通って流れる気流は、循環ＨＥＰＡフィルタ２６９を通ってハウジング２３４の印刷領域２７６に戻るか、又は排気ＨＥＰＡフィルタ２７０を通ってハウジング２３４から出るかのいずれかである。循環ＨＥＰＡフィルタ２６９及び排気ＨＥＰＡフィルタ２７０は、それらを通って流れる気流からかなりの量の粒子を取り除く。従って、循環ＨＥＰＡフィルタ２６９を通ってハウジング２３４の印刷領域２７６に逆流する気流は無菌であり、粒子の濃度が非常に低い。循環ＨＥＰＡフィルタ２６９からハウジング２３４の印刷領域２７６に流れる気流は、ハウジング２３４の印刷領域２７６を通る一方向の下向きの気流である。この気流は、ハウジング２３４の印刷領域２７６を通る層流を提供し、これは、基板２３３及び基板２３３に印刷された任意の３Ｄ細胞構造が汚染されるリスクを低減し得る。ハウジング２３４の印刷領域２７６を通る一方向の気流の速度は、約０．４５ｍ／秒と想定される。

図１９を参照すると、バイオプリンタ２００は、ハウジング２３４内に配置された二つの温度制御部２７１を有する。温度制御部２７１の一つは、プリントヘッドアセンブリ１００の近くに配置され、他の温度制御部２７１は、ホルダ２４５の近くに配置される。

温度制御部２７１は、バイオプリンタ２００により印刷される細胞の持続的な生存能力に必要な条件及び／又は最適な成長条件に基づき、加熱又は冷却を行い、バイオプリンタ２００のハウジング２３４内の温度を調節することができる。例えば、温度制御部２７１は、ハウジング２３４内の温度を約３６℃から３８℃の範囲に維持し、印刷される細胞の細胞増殖を支援することができる。

プリントヘッド１００の近くに配置された温度制御部２７１はまた、リザーバ１０６に含まれる流体の温度を所定の範囲に維持することができる。例えば、リザーバ１０６に含まれる流体を所定の温度より高い温度に保ち、印刷される細胞における細胞増殖を促進して、リザーバ１０６に含まれる流体の粘度を印刷に適した範囲に維持することができる。

ホルダ２４５の近くに配置された温度制御部２７１は、ホルダ２４５の印刷ステージ２４７に配置された基板２３３の温度を所定の範囲に維持して、例えば、印刷済み細胞における細胞増殖を促進することができる。

温度制御部２７１は、バイオプリンタ２００のハウジング２３４内の温度を特定の温度範囲内に維持するために協働してもよく、プリントヘッド１００及び基板２３３をそれぞれの所定の温度範囲内に維持するために独立して動作してもよい。

また図１９を参照すると、バイオプリンタ２００は、３Ｄ細胞構造を印刷するために開発されたカスタムソフトウェアを有する制御システム２７２によって制御される。制御システム２７２は、バイオプリンタ２００を操作するためのプログラム及びアルゴリズムが格納されている持続性コンピュータ可読媒体を含む。持続性コンピュータ可読媒体は、バイオプリンタ２００とは別に配置され、バイオプリンタ２００に電気的に接続されていることが想定されるが、持続性コンピュータ可読媒体がバイオプリンタ２００と共に提供されてもよい。

図２０及び図２１を参照すると、制御システム２７２は、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）２７３を含む。ＧＵＩ２７３を介して、ユーザは様々な印刷ルーチンを選択し、特定の３Ｄ細胞構造を印刷するためのパラメータを変更できる。例えば、ユーザは、ＧＵＩ２７３を使用して、プリントヘッドアセンブリ１００から分配される流体液滴の間隔及び体積を変更することができる。ユーザはまた、プリントヘッドアセンブリ１００から分配される流体液滴の空間位置を手動で制御し、ＧＵＩ２７３を介してプリントヘッドアセンブリ１００から分配される流体液滴のカスタムパターンを作成することができる。制御システム２７２はまた、第１及び第２リザーバセット１０１、サンプルローディングシステム１０２、分配システム１０３の洗浄、プライミング、パージを行うための操作命令を含む。

ＧＵＩ２７３は、ユーザが命令及び情報を制御システム２７２に入力することを可能にする。例えば、ユーザは、密封容器２３８のそれぞれにどのような流体が入っているか、及びそれらの流体がどの特定の密封容器２３８に配置されているかを入力することができる。ユーザはまた、ユーザが非密封容器２３９のそれぞれに追加した流体、及びそれらの流体が配置されている特定の非密封容器２３９を入力することができる。これにより、制御システム２７２は、各流体がカートリッジ２３２内のどこに配置されるかを知ることができ、制御システム２７２は、プリントヘッドアセンブリ１００から正しい流体を分配して、必要な３Ｄ細胞構造を制作することができる。

バイオプリンタは、３Ｄ細胞構造を層ごとに印刷する。３Ｄ細胞構造の階層化は、生物学者が顕微鏡でｚスタック階層化を活用する方法を模倣するためのものである。ＧＵＩ２７３は、印刷される３Ｄ細胞構造の各層を設計する方法をユーザに提供する。例えば、ＧＵＩ２７３は、印刷される３Ｄ細胞構造の各層のパターンを描画するためのグリッドをユーザに提供する。

上記のように、基板２３３は、複数のウェルを有するマルチウェルプレートである。図２０を参照すると、例えば、ＧＵＩ２７３は、基板２３３のウェルと、基板２３３の各ウェルに印刷することができる所定の３Ｄ細胞構造の視覚化を表示する。ＧＵＩ２７３を用いて、ユーザは、ウェル、ウェルアレイ、及びウェル、又はウェルアレイに印刷される３Ｄ細胞構造を選択する。

ＧＵＩ２７３は、ユーザが、３Ｄ細胞構造を制作したい基板２３３内／上の場所を選択することを可能にする。ＧＵＩ２７３は、３Ｄ細胞構造のセルが印刷される場所と、３Ｄ細胞構造の印刷模様とを視覚化して表示する印刷プレビューボタン２７４を有する。ユーザがＧＵＩ２７３上での３Ｄ細胞構造に満足すると、ＧＵＩ２７３を介して３Ｄ細胞構造を印刷したい意思を確認することができる。次に、バイオプリンタ２００は、３Ｄ細胞構造を基板２３３上に印刷する。バイオプリンタは、３Ｄ細胞構造を制作するときに２０～２５層を印刷するが、ユーザはＧＵＩ２７３を介して印刷される層の数を増減できる。

制御システム２７２は、プリントヘッドアセンブリ１００の電子機器アセンブリ１２９の各センサ１１７と電気ポート１３０に電気的に接続されている。制御システム２７２は、二つのマニホールド弁１１３、アクチュエータ１２２、各分配口１２６、第１位置決め部２５０、第２位置決め部２５２、各圧力調整器２５６、セレクタ弁２５８、プリンタポンプ２６２、ブロワ２６７、ホルダ２４５のリーダに電気的に接続され、それらを制御するように構成される。

電子機器アセンブリ１２９の電気コネクタ１３１は、バイオプリンタ２００のハウジング２３４内に配置された電子機器アセンブリ（図示せず）又は制御システム２７２に関連する電子機器アセンブリ（図示せず）に電気的に接続されてもよい。

バイオプリンタ２００は、バイオプリンタ２００に取り外し可能に結合された電源によって電力を供給される。電源は、電子機器アセンブリ１２９に電力を提供し、電子機器アセンブリ１２９は、電力をマニホールド弁１１３、センサ１１７、アクチュエータ１２２、各分配口１２８に分配する。電源はまた、第１位置決め部２５０、第２位置決め部２５２、圧力調整システム２５４、各圧力調整器２５６、セレクタ弁２５８、プリンタポンプ２６２、ブロワ２６７、温度制御部２７１に電力を供給する。電源は、例えば、主電源であってもよい。

次に、バイオプリンタ２００の使用と操作について説明する。

特定の３Ｄ細胞構造を印刷するために、ユーザは、カートリッジ２３２の密封容器２３８に含まれる特定の３Ｄ細胞構造を印刷するために必要なバイオインク、活性剤、他の流体を有する特定のカートリッジ２３２を選択する。適切なカートリッジ２３２を選択した後、ユーザは、カートリッジ２３２のベース２３６から蓋２３７を取り外し、カートリッジ２３２の非密封容器２３９のいずれかに溶液中のセルインク、細胞懸濁液、細胞培養培地、及び／又は薬物を加えることができる。ユーザは、特定の３Ｄ細胞構造でモデル化したいものに応じて、非密封容器２３９のそれぞれに追加する流体を選択する。選択した流体を非密封容器２３９に追加した後、ユーザは、蓋２３７をカートリッジ２３２のベース２３６に結合して、非密封容器２３９に含まれる流体の汚染を防止する。

ハウジング２３４のアクセスドア２６３を開くことにより、ユーザは、カートリッジ２３２をホルダ２４５のレセプタクル２４６に配置することができる。アクセスドア２６３が開放位置にあるとき、ユーザはまた、必要な基板２３３をホルダ２４５の印刷ステージ２４７上に配置できる。カートリッジ２３２をレセプタクル２４６に配置し、基板２３３を印刷ステージ２４７に配置した後、ユーザは、カートリッジ２３２の蓋２３７を取り外し、ハウジング２３４のアクセスドア２６３を閉じる。

アクセスドア２６３が開放位置にあるとき、制御システム２７２は、ブロワ２６７の回転数を増加させるように構成される。これにより、ハウジング２３４を通る空気の流量が増加する。ブロワ２６７の回転数を増加させると、開いたアクセスドア２６３を通ってハウジング２３４に流入する空気が、格子２４８を通ってホルダ２４５の下方に引き込まれ、第１流路２６５に引き込まれる。これにより、開いたアクセスドア２６３を通ってハウジング２３４に入り、基板２３３、非密封容器２３９に含まれる流体、基板２３３に印刷された任意の３Ｄ細胞構造の上を流れて汚染させる、潜在的に汚染された空気の量を減らす。

アクセスドア２６３が閉鎖位置にあるとき、制御システム２７２は、アクセスドア２６３が開放位置にあるときに比べて、より少ない回転数でブロワ２６７を作動させるように構成される。ブロワ２６７の回転数を下げると、ハウジング２３４を通る空気の流量が低減する。ハウジング２３４の印刷領域２７６を通る空気の流量が低くなると、基板２３３、カートリッジ２３２に含まれる流体、基板２３３に印刷された任意の印刷された３Ｄ細胞構造に対する脱水の影響が低減される。

カートリッジ２３２がレセプタクル２４６で受け入れられると、制御システム２７２は、ホルダ２４５のリーダを使用してカートリッジ２３２の識別子２４４を読み取り、カートリッジ２３２に関する情報を取得するように構成される。カートリッジ２３２の識別子２４４を読み取ることから、制御システム２７２は、個々の密封容器２３８に含まれる流体を決定できる。ユーザは、ＧＵＩ２７３を使用して、制御システム２７２に、非密封容器２３９のそれぞれに追加された流体を入力し、制御システム２７２が流体のそれぞれの配置位置を把握できるようにする。

この段階で、ユーザは、ＧＵＩ２７３を使用して印刷される特定の３Ｄ細胞構造を設計することができる。ユーザが設計した３Ｄ細胞構造に満足すると、ユーザはＧＵＩ２７３を使用して、バイオプリンタ２００に３Ｄ細胞構造の印刷を開始させたい意思を確認する。

カートリッジ２３２の識別子２４４は、カートリッジ２３２が新しいものであるか、使用されたことがあるか、或いは使用済みであるかを制御システム２７２に通知するように構成されてもよい。カートリッジ２３２が新しいものである場合、制御システム２７２は、ユーザに必要な３Ｄ細胞構造の印刷を許容する。カートリッジ２３２が使用されている場合、制御システム２７２は、必要なジョブを完了できるほどの流体がカートリッジ２３２内にあるか否かをユーザに通知するプロンプトをＧＵＩ２７３に表示するように構成されてもよい。十分な流体がある場合、制御システム２７２は、ユーザに必要な３Ｄ細胞構造の印刷を許容する。十分な流体がない場合、制御システム２７２は、カートリッジ２３２を交換するようにユーザに通知するように構成されてもよい。カートリッジ２３２が使用済みである場合、制御システム２７２は、この情報をＧＵＩ２７３に表示し、カートリッジ２３２を交換するようにユーザに通知する。

３Ｄ細胞構造の印刷が確認されると、制御システム２７２は、圧力調整システム２５４のそれぞれの圧力調整器２５６を使用して、キャップ１０８を介して各リザーバ１０６を加圧する。各リザーバ１０６を加圧すると、それぞれのプライミング流体ライン１２０も加圧される。これにより、各プライミング流体ライン１２０の逆止弁１２１が強制的に閉鎖位置に行き、プライミングマニホールド１１４からそれぞれのプライミング流体ライン１２０に流体が流れることを防止する。

以下の説明は、サンプルローディングシステム１０２の各サブシステム１１１に関する。リザーバ１０６を特定の流体でプライミングするために、制御システム２７２は、サブシステム１１１の開口部１２４及びニードル１１２がリザーバ１０６によって保持される流体を含むカートリッジ２３２内の特定の容器の上方に位置決めされるように、第１位置決め部２５０及び／又は第２位置決め部２５２を用いて、ホルダ２４５及び／又はプリントヘッドアセンブリ１００をそれぞれ動かす。次に、制御システム２７２は、アクチュエータ１２２を操作して、ニードル１１２のポイント１２３を、開口部１２４を通してプリントヘッドハウジング１０４から前進させる。その結果、ニードル１１２のポイント１２３は、カートリッジ２３２の特定の容器に含まれる流体に挿入され、沈められる。必要な流体が密封容器２３８又は廃棄物容器２４０のいずれかに含まれる場合、ニードルのポイント１２３がそれぞれの密封容器２３８又は廃棄物容器２４０に挿入されているときに、ニードル１１２のポイント１２３がシール２４２に穴を開けることになる。

この段階で、制御システム２７２は、マニホールド弁１１３を開き、セレクタ弁２５８を制御して、プリンタポンプ２６２に結合されたチャネル２６１を選択し、プリンタポンプ２６２をサブシステム１１１のプライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６と流体連通するように配置する。次に、制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２を作動させて、プライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に負圧を加え、流体スラグを、ニードル１１２とマニホールド弁１１３を通し、マニホールド入口１１５を介してプライミングマニホールド１１４に引き込む。制御システム２７２は、流体スラグがマニホールド出口１１６から流出し始めたことをセンサ１１７が検出するまで、プライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に負圧を加え続ける。その時点で、制御システム２７２はプリンタポンプ２６２の動作を停止し、マニホールド弁１１３を閉じる。

センサ１１７は、流体スラグがマニホールド出口１１６から流出し始めたときを検出するために、マニホールド出口１１６に配置することができる。或いは、センサ１１７は、流体スラグがマニホールド入口１１５を通ってマニホールド１１４に流れ始めるときを検出するために、マニホールド入口１１５に配置されてもよい。センサ１１７がマニホールド入口１１５に配置されている場合、制御システム２７２は、センサ１１７を使用してマニホールド１１４に流入した流体スラグの体積を計算するように構成されてもよい。次に、制御システム２７２は、マニホールド１１４の体積と流体スラグの体積に基づいて、流体スラグがマニホールド出口１１６から流出し始めた時点を推定するように構成さてもよい。マニホールド入口１１５に配置されたセンサ１１７とマニホールド出口１１６に配置されたセンサ１１７との組み合わせを活用することも想定されている。

制御システム２７２は、続いて、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、流体スラグでプライミングされるべきリザーバ１０６を減圧し、プリンタポンプ２６２を操作して、プライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に正圧を加える。リザーバ１０６が減圧された後、プリンタポンプ２６２によりプライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に加えられた正圧は、それぞれのプライミング流体ライン１２０の逆止弁１２１を開放位置に動かし、それによって流体スラグはプライミングマニホールド１１４からそれぞれのプライミング流体ライン１２０を通って減圧されたリザーバ１０６に流れ込む。プリンタポンプ２６２によってプライミングマニホールド１１４のマニホールド出口１１６に加えられる正圧は、マニホールド出口１１６から流出した流体を、プライミングマニホールド１１４及び減圧されたリザーバ１０６に逆流させる。減圧されたリザーバ１０６内の流体スラグは、分配流体ライン１２５の通常は閉じられた分配口１２６によって停止されるまで、それぞれの分配流体ライン１２５に流れ込み、当該ラインを通って流れる。この段階で、減圧されたリザーバ１０６は流体スラグでプライミングを済ませ、制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２の動作を停止している。

減圧リザーバ１０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、減圧リザーバ１０６内の圧力を増加させる。これにより、それぞれの逆止弁１２１を閉鎖位置に動かして、プライミングマニホールド１１４からの流体の流れがリザーバ１０６に入ることを防止する。

上記のように、各リザーバ１０６の所定の体積は、それぞれのリザーバ１０６にポンプで送り込まれる流体スラグがそれぞれのプライミング流体ライン１２０を逆流することを低減するか、又は場合によっては防止するようなサイズにすることができる。

リザーバ１０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、マニホールド弁１１３を開き、プリンタポンプ２６２又は各圧力調整器２５６を操作して、マニホールド出口１１６を介してプライミングマニホールド１１４及びニードル１１２に正圧を加え、サブシステム１１１に残っている流体をニードル１１２を通してパージする。サブシステム１１１に残っている流体は、流体がカートリッジ２３２の廃棄物空間から、或いは廃棄物空間へ最初に流体が引き出された容器と同じ容器にパージして戻すことができる。流体が廃棄物空間にパージされる場合、制御システム２７２は、第１位置決め部２５０及び／又は第２位置決め部２５２を用いて、サブシステム１１１の開口部１２４及びニードル１１２を、サブシステム１１１をパージする前にカートリッジ２３２の廃棄物スロット２４１の上方に配置する。制御システム２７２は、サブシステム１１１をパージする前に、アクチュエータ１２２を操作して、ニードル１１２のポイント１２３を廃棄物スロット２４１に挿入し、基板２３３を汚染させるパージ済みの流体、又は非密封容器２３９に含まれる流体のいずれかを防止／制限するように構成されてもよい。サブシステム１１１から廃棄物空間に流体をパージした後、制御システム２７２は、アクチュエータ１２２を操作して、ニードル１１２のポイント１２３をプリントヘッドアセンブリ１００のプリントヘッドハウジング１０４に引き戻す。

サブシステム１１１から流体がパージされた後、制御システム２７２は、別のリザーバ１０６をプライミングする前にサブシステム１１１を洗浄してもよい。サブシステム１１１を洗浄するために、制御システム２７２は、ニードル１１２が洗浄容器２４０の上方に配置されるようにプリントヘッドアセンブリ１００を位置決めし、アクチュエータ１２２を操作して、シール２４２に穴を開け、洗浄容器２４０に含まれる洗浄液に沈むまでニードル１１２のポイント１２３を前進させる。制御システム２７２は、上記と同様の方法で、ニードル１１２を通してプライミングマニホールド１１４に洗浄液を引き込む。続いて、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、洗浄液をカートリッジ２３２の廃棄物空間にパージする。上記の洗浄ステップは、別のリザーバ１０６をプライミングする前に１回以上繰り返すことができる。

更なるリザーバ１０６をプライミングするために、制御システム２７２は、上記のステップを繰り返す。印刷すべき３Ｄ細胞構造に応じて、制御システム２７２は、各リザーバ１０６、又はリザーバ１０６の一部のみをプライミングすることができる。制御システム２７２を、各リザーバ１０６の内容物を記録するように構成し、制御システム２７２が、どのリザーバ１０６がどの流体を含むかを把握できるようにしてもよい。

各サブシステム１１１は、リザーバセット１０１の一つに結合されるので、サンプルローディングシステム１０２は、第１リザーバセット１０１からのリザーバ１０６と、第２リザーバセット１０１からのリザーバ１０６を同時にプライミングできる。二つのサブシステム１１１を使用することにより、互いに反応して固化する流体を別々のサブシステム１１１によって処理することが可能になる。例えば、バイオインクと活性剤は、一緒に反応して固化し、ヒドロゲルを形成し得る。バイオインクと活性剤が同じサブシステム１１１によって処理される場合、活性剤がサブシステム１１１を通して引き出される前にサブシステム１１１がバイオインクから完全にパージされない可能性があるため、ヒドロゲルがサブシステム１１１内に形成され得る。サブシステム１１１でのヒドロゲルの形成は、サブシステム１１１での閉塞をもたらす可能性がある。従って、２つ以上のサブシステム１１１を有することにより、その可能性を減らすことができる。

反応性流体が同じサブシステム１１１によって取り扱われないように、反応性流体は、カートリッジ２３２内の隣接する容器に含まれ、アクチュエータ１２２がニードル１１２を前進させるように操作されると、ニードル１１２の一方が一つの反応性流体を含む容器に挿入され、ニードル１１２の他方は、他の反応性流体を含む隣接容器に挿入される。

必要なリザーバ１０６が、選択された３Ｄ細胞構造を制作するために必要な流体でプライミングされると、制御システム２７２は、３Ｄ細胞構造を基板２３３上／内に印刷し始めることができる。制御システム２７２は、印刷ジョブにより特定の時間及び場所で分配システム１０３から特定の流体を分配し、３Ｄ細胞構造の各層を印刷する。例えば、３Ｄ細胞構造は、異なるリザーバ１０６に保持された複数の流体を混合／反応させることによって制作される特定の材料を必要とし得る。これは、第１のリザーバ１０６から第１の流体液滴を分配し、第２のリザーバ１０６から第１の流体液滴上に第２の流体液滴を分配することによって達成することができる。例えば、ヒドロゲルは、バイオインクの流体液滴を活性剤の流体液滴と混合することによって形成することができる。

特定の位置でプリントヘッドアセンブリ１００から特定の流体を分配するために、制御システム２７２は、第１位置決め部２５０及び／又は第２位置決め部２５２を用いてプリントヘッドアセンブリ１００を位置決めし、特定の流体を保持するリザーバ１０６の分配口１２６が基板２３３の特定の位置の上に配置されるようにする。次に、制御システム２７２は、それぞれの分配口１２６を開放構成に動かし、リザーバ１０６内の圧力で、リザーバ１０６内の流体を分配口１２６から強制的に分配する。必要な量の特定の流体がそれぞれの分配口１２６から分配されると、制御システム２７２は、分配口１２６を閉鎖構成に戻し、更なる流体が分配口１２６から分配されることを防止する。

リザーバ１０６からの流体の分配は、リザーバ１０６内の圧力を低下させる。従って、流体がリザーバ１０６から分配され、それぞれの分配口１２６が閉鎖構成に動かされた後、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、リザーバ１０６を所定の圧力に再加圧する。

リザーバ１０６内の圧力を増減させると、対応する分配口１２６を通る流体の流量がそれぞれ増減する。分配口１２６が開放構成にある期間を増加及び減少させると、分配口１２６から分配される流体の量がそれぞれ増加及び減少する。従って、分配口１２６から分配される流体液滴は、それぞれのリザーバ１０６内の圧力を変化させ、分配口１２６が開放構成にある期間を変化させることによって変化させることができる。制御システム２７２は、リザーバ１０６に含まれる流体及び印刷される３Ｄ細胞構造に応じて、特定のリザーバ１０６から分配される流体液滴の量を制御するように構成されてもよい。或いは、ユーザは、３Ｄ細胞構造を設計するときに、ＧＵＩ２７３を介して手動でプリントヘッドアセンブリ１００から分配される流体液滴の量を制御することができる。

上記の分配ステップは、選択された３Ｄ細胞構造を制作するために必要な全ての流体液滴が分配されるまで繰り返される。３Ｄ細胞構造が制作された後、制御システム２７２は、カートリッジ２３２が使用されたこと、及びカートリッジが更なる３Ｄ細胞構造の印刷に使用され得るか否かを示すために、カートリッジ２３２の識別子２４４に関する情報を更新するように構成されてもよい。更新された情報は、ユーザがカートリッジ２３２を再び使用して更なる３Ｄ細胞構造を印刷しようとすると、ＧＵＩ２７３に提示される。この段階で、ユーザは、ハウジング２３４のアクセスドア２６３を通して、カートリッジ２３２、基板２３３、基板２３３上に制作された任意の３Ｄ細胞を取り外すことができる。

３Ｄ細胞構造が印刷された後、制御システム２７２は、リザーバ１０６に残っている流体をパージするように構成される。リザーバ１０６をパージするために、制御システム２７２は、各分配口１２６がカートリッジ２３２の廃棄物スロット２４１の上に配置されるように、第１位置決め部２５０及び／又は第２位置決め部２５２を使用してプリントヘッドアセンブリ１００を位置決めする。制御システム２７２は、上記と同様の方法で流体を分配することによって、リザーバ１０６に残っている全ての流体をカートリッジ２３２の廃棄物空間にパージする。このプロセスは、全てのリザーバ１０６がパージされるまで繰り返される。

次に、制御システム２７２は、記載されたものと同様の方法を使用して、洗浄容器２４０に含まれる洗浄液で各リザーバ１０６をプライミングする。次に、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、サブシステム１１１に残っている洗浄液をニードル１１２を通してパージする。リザーバ１０６が洗浄液でプライミングされた後、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、各リザーバ１０６からそれぞれの分配口１２６を介してカートリッジ２３２の廃棄物空間に全ての洗浄液を分配する。制御システム２７２は、上記の洗浄プロセスを１回以上繰り返すことができる。

制御システム２７２は、リザーバ１０６に含まれる流体を攪拌／曝気するための攪拌／再懸濁プロセスを実施することができる。リザーバ１０６に含まれる流体が懸濁液である場合、懸濁液中の懸濁粒子は沈降する可能性があり、これは、その後に印刷される３Ｄ細胞構造に関する問題やバイオプリンタ２００内の閉塞を引き起こす可能性がある。攪拌／再懸濁プロセスにより、沈降した浮遊粒子が再懸濁される。

リザーバ１０６に含まれる流体を攪拌／再懸濁するために、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、リザーバ１０６内の圧力を低下させる。制御システム２７２はまた、圧力調整システム２５４の弁２７５を閉じて、コネクタ２５７に接続された加圧ガス源からマニホールド出口１１６を隔離する。次に、制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、プリンタポンプ２６２を、それぞれのリザーバ１０６のキャップ１０８と流体連通するように配置する。制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２を操作して、リザーバ１０６に負圧を加え、各分配口１２６を開く。リザーバ１０６に加えられた負圧は、それぞれの分配流体ライン１２５内の流体をリザーバ１０６に逆流させる。リザーバ１０６に負圧を継続的に加えると、空気は、それぞれの分配流体ライン１２５を通してリザーバ１０６に引き込まれる。コネクタ２５７に接続された加圧ガス源からマニホールド出口１１６を隔離すると、攪拌／再懸濁プロセス中にそれぞれのプライミング流体ライン１２０を通してリザーバ１０６に引き込まれる気流を制限／防止することができる。さもなければこのプロセスの有効性が低下する。

リザーバ１０６に引き込まれた空気は、プリンタポンプ２６２によってそれぞれのキャップ１０８を通ってリザーバ１０６から引き出される前に、リザーバ１０６に含まれる流体を通って泡立ち、攪拌される。制御システム２７２は、流体を攪拌／再懸濁するのに十分な所定の時間、リザーバ１０６に負圧を加え続ける。流体が十分に攪拌／再懸濁された後、制御システム２７２は、それぞれの分配口１２６を閉鎖構成に動かし、プリンタポンプ２６２の動作を停止する。次に、制御システム２７２は、弁２７５を開き、セレクタ弁２５８を制御して、リザーバ１０６のキャップ１０８を、それぞれの圧力調整器２５６と流体連通するように戻す。続いて、制御システム２７２は、この圧力調整器２５６を制御して、リザーバ１０６を所定の圧力に再加圧する。

リザーバ１０６は、デガッシングチャンバとして機能する。例えば、リザーバ１０６を流体スラグでプライミングする場合、リザーバ１０６の構成は、それぞれのプライミング流体ライン１２０を介してリザーバ１０６に導入された空気を流体スラグから分離する。これは、より密度の高い流体スラグがリザーバ１０６内の最も低い点に流れ、リザーバ１０６に導入された空気を置換するためである。

サンプルローディングシステム１０２と第１及び第２リザーバセット１０１との構成により、各リザーバ１０６は、リザーバ１０６にすでに含まれている流体に影響を与えず、流体で再充填できる。

層流システム２６２は、基板２３３及びカートリッジ２３２上を流れる外部汚染空気を制限／防止するので、バイオプリンタ２００は、バイオセーフティキャビネット又はクリーンルーム施設で操作される必要がない。従って、バイオプリンタ２００は標準室で操作することができるので、バイオプリンタ２００の操作に関連するコストを削減することができる。層流システム２６２はまた、プリントヘッドアセンブリ１００及びその構成要素に強制対流冷却を提供することができる。これにより、プリントヘッドアセンブリ１００内の構成要素の過熱や故障を低減し、場合によっては防止することができる。
プリントヘッドアセンブリの第２の例示的実施形態

図２３～図２５は、本発明の第２の実施形態によるプリントヘッドアセンブリ３００を示している。プリントヘッドアセンブリ３００は、プリントヘッドアセンブリ３００がプリントヘッドアセンブリ１００のマニホールド弁１１３の代わりにプリントヘッドポンプ３７７を有し、プライミングマニホールド３１４のマニホールド出口３１６がプリントヘッドアセンブリ３００に密封されていることを除いて、プリントヘッドアセンブリ１００と同様である。

プリントヘッドアセンブリ１００の特徴と同一又は同等であるプリントヘッドアセンブリ３００の特徴には、プリントヘッドアセンブリ１００の特徴の参照番号に２００を加えた番号が与えられている。プリントヘッドアセンブリ１００とプリントヘッドアセンブリ３００との間で同一である特徴について、プリントヘッドアセンブリ１００に関連するこれらの特徴の上記の説明は、プリントヘッドアセンブリ３００に見られる対応する同一／同等の特徴にも適用できる。従って、プリントヘッドアセンブリ１００とプリントヘッドアセンブリ３００との同一の特徴は、プリントヘッドアセンブリ３００のこれらの特徴がプリントヘッドアセンブリ１００に関して既に説明されているので、プリントヘッドアセンブリ３００に関しては省略する。

プリントヘッドアセンブリ３００の各サブシステム３１１について、ニードル３１２は、プリントヘッドポンプ３７７に流体連通で結合され、プリントヘッドポンプ３７７は、プライミングマニホールド３１４のマニホールド入口３１５に流体連通で結合される。プリントヘッドポンプ３７７は、例えば、蠕動ポンプ又はダイアフラムポンプなどの容積式ポンプであってもよいが、当技術分野で周知のその他のポンプを使用してもよい。

プリントヘッドアセンブリ３００は、バイオプリンタ２００と共に使用することができる。しかしながら、プリントヘッドアセンブリ３００を使用するバイオプリンタ２００は、プリントヘッドアセンブリ１００を使用するバイオプリンタ２００に比べて、構造上の差を有する。それについては、以下で説明する。理解しやすいように、プリントヘッドアセンブリ１００を使用するバイオプリンタ２００は、「バイオプリンタ２００」と、プリントヘッドアセンブリ３００を使用するバイオプリンタ２００は、「バイオプリンタ２００ａ」と称するものとする。

バイオプリンタ２００ａの場合、各リザーバ３０６のキャップ３０８は、セレクタ弁２５８を介して、圧力調整システム２５４の圧力調整器２５６の一つと流体連通で結合される。プリンタポンプ２６２はまた、セレクタ弁２５８と流体連通で結合されている。バイオプリンタ２００ａの通常の動作中、キャップ３０８のそれぞれは、それらのそれぞれの圧力調整器２５６と流体連通している。しかしながら、制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、キャップ３０８の一つをプリンタポンプ２６２と流体連通するように配置することができる。キャップ３０８の一つがプリンタポンプ２６２と流体連通している場合、そのキャップ３０８は各圧力調整器と流体連通しておらず、逆もまた同様である。

二つのプライミングマニホールド３１４のマニホールド出口３１６は密封されており、バイオプリンタ２００ａはセレクタ弁２５８を必要としないので、プライミングマニホールド３１４のマニホールド出口３１６は、圧力調整システム２５４に流体連通で結合されない。更に、二つのマニホールド３１４のマニホールド出口３１６が密封されると、センサ３１７は、二つのマニホールド３１４のマニホールド入口３１５に配置され、それぞれのマニホールド入口３１５を通ってプライミングマニホールド３１４に流入する流体を検出する。

バイオプリンタ２００ａの動作及び機能は、リザーバ３０６がプライミングされる方法、サブシステム３１１がパージされる方法、及び攪拌／再懸濁プロセスを除いて、バイオプリンタ２００のものと同様である。リザーバ３０６がプライミングされる方法、及びサブシステム３１１がパージされる方法は、以下に説明される。下記の説明は、サンプルローディングシステム３０２の各サブシステム３１１に関連している。

リザーバ３０６を特定の流体でプライミングするために、制御システム２７２は、サブシステム３１１の開口部３２４及びニードル３１２がリザーバ３０６によって保持される流体を含むカートリッジ２３２内の特定の容器の上方に位置決めされるように、第１位置決め部２５０及び／又は第２位置決め部２５２を用いて、ホルダ２４５及び／又はプリントヘッドアセンブリ３００をそれぞれ動かす。次に、制御システム２７２は、アクチュエータ３２２を操作して、ニードル３１２のポイント３２３を、開口部３２４を通してプリントヘッドハウジング３０４から前進させる。その結果、ニードル３１２のポイント３２３は、カートリッジ２３２の特定の容器に含まれる流体に挿入され、沈められる。必要な流体が密封容器２３８に含まれる場合、ニードルのポイント３２３がそれぞれの密封容器２３８に挿入されているときに、ニードル３１２のポイント３２３がシール２４２に穴を開けることになる。

この段階で、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、所望の流体でプライミングされるべきリザーバ３０６を減圧する。続いて、制御システム２７２は、プリントヘッドポンプ３７７を制御して、ニードル３１２及びプリントヘッドポンプ３７７を通して流体スラグを引き込み、マニホールド入口３１５を通してプライミングマニホールド３１４に流体スラグをポンプで送り込む。プライミングされるリザーバ３０６が減圧されると、プリントヘッドポンプ３７７によってマニホールド３１４に加えられる正圧により、各プライミング流体ライン３２０の逆止弁３２１が開放位置に移動し、それによって流体スラグがプライミングマニホールド３１４からそれぞれのプライミング流体ライン３２０を通って減圧されたリザーバ３０６に流れ込む。減圧されたリザーバ３０６内の流体スラグは、分配流体ライン３２５の通常は閉じられた分配口３２６によって停止されるまで、それぞれの分配流体ライン３２５に流れ込み、当該ラインを通って流れる。この段階で、減圧されたリザーバ３０６は流体スラグでプライミングを済ませ、制御システム２７２はプリントヘッドポンプ３７７の動作を停止している。

制御システム２７２は、センサ３１７を利用して、流体がいつマニホールド入口３１５を通ってプライミングマニホールド３１４に流入し始めるかを決定し、マニホールド３１４に流入した流体の量を計算するように構成されてもよい。制御システム２７２はまた、センサ３１７を利用して、減圧されたリザーバ３０６に流入した流体の量を計算するように構成されてもよい。

減圧リザーバ３０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、減圧リザーバ３０６内の圧力を増加させ、これは、それぞれの逆止弁３２１を閉鎖位置に動かして、プライミングマニホールド３１４からの流体の流れがリザーバ３０６に入ることを防止する。

リザーバ３０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、別のリザーバ３０６をプライミングする前に、サブシステム３１１及びそれぞれのマニホールド３１４を洗浄するように構成されてもよい。サブシステム３１１及びそれぞれのマニホールド３１４を洗浄するために、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、空のリザーバ３０６を洗浄液で効果的にプライミングする。次に、制御システム２７２は、プリントヘッドアセンブリ１００につき、上記と同様の方法で、それぞれのリザーバ３０６から洗浄液を分配する。この洗浄ステップは、選択された３Ｄ細胞構造を制作するために必要な流体で別のリザーバ３０６をプライミングする前に、１回以上繰り返されてもよい。

更なるリザーバ３０６をプライミングするために、制御システム２７２は、上記の方法ステップを繰り返す。プリントヘッドポンプ３７７がプリントヘッドアセンブリ３００内に配置されているため、プリントヘッドアセンブリ３００内のリザーバ３０６のプライミングは、プリントヘッドアセンブリ１００内のリザーバ１０６のプライミングに比べると、より速く済ませることができる。

バイオプリンタ２００と同様に、バイオプリンタ２００ａもまた、攪拌／再懸濁プロセスを実行するように構成される。リザーバ３０６の一つに含まれる流体を攪拌／再懸濁するために、制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、プリンタポンプ２６２をそれぞれのリザーバ３０６のキャップ３０８と流体連通するように配置する。制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２を操作して、リザーバ３０６に負圧を加え、各分配口３２６を開く。リザーバ３０６に加えられた負圧は、各分配流体ライン３２５内の流体をリザーバ３０６に逆流させ、リザーバ３０６に負圧を継続的に加えることにより、空気は、各分配流体ライン３２５を通してリザーバ３０６に引き込まれる。

リザーバ３０６に引き込まれた空気は、プリンタポンプ２６２によってそれぞれのキャップ３０８を通ってリザーバ３０６から引き出される前に、リザーバ３０６に含まれる流体を通って泡立ち、攪拌される。制御システム２７２は、流体をリザーバ３０６において攪拌／再懸濁するのに十分な所定の時間、リザーバ３０６に負圧を加え続ける。流体が十分に攪拌／再懸濁された後、制御システム２７２は、それぞれの分配口３２６を閉鎖構成に動かし、プリンタポンプ２６２の動作を停止する。次に、制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、リザーバ３０６のキャップ３０８を、それぞれの圧力調整器２５６と流体連通するように戻す。続いて、制御システム２７２は、この圧力調整器２５６を制御して、リザーバ３０６を所定の圧力に再加圧する。

プリントヘッドアセンブリ１００、３００を使用するバイオプリンタ２００、２００ａに関する上記の説明は、プリントヘッドアセンブリ１００、３００の実施及び操作の方法の一例を示すものである。プリントヘッドアセンブリ１００、３００は、バイオプリンタ２００、２００ａでの使用に限定されず、他のバイオプリンタや例示で使用できる。

プリントヘッドアセンブリ１００、３００は、二つのサブシステム１１１、３１１と、各サブシステム１１１、３１１に結合されたリザーバセット１０１、３０１とを有するものとして説明及び図示されているが、プリントヘッドアセンブリ１００、３００は、単一のサブシステム１１１、３１１が単一のリザーバセット１０１、３０１に結合されている、或いは２つ以上のサブシステム１１１、３１１がそれぞれのリザーバセット１０１、３０１に結合されているサンプルローディングシステム１０２、３０２を有してもよい。

最も単純な形態において、プリントヘッドアセンブリ１００、３００は、単一のサブシステム１１１、３１１を有するサンプルローディングシステム１０２、３０２と流体連通する少なくとも一つのリザーバ１０６、３０６を有する。
プリントヘッドアセンブリの第３の例示的な実施形態

図２６は、本発明の第３の実施形態によるプリントヘッドアセンブリ４００の概略図を示す。プリントヘッドアセンブリ４００は、プリントヘッドアセンブリ４００が３／２弁４８０を更に備えることを除いて、プリントヘッドアセンブリ３００と同様である。

プリントヘッドアセンブリ３００の特徴と同一又は同等であるプリントヘッドアセンブリ４００の特徴には、プリントヘッドアセンブリ３００の特徴の参照番号に１００を加えた番号が与えられている。プリントヘッドアセンブリ４００とプリントヘッドアセンブリ４００との間で同一である特徴について、プリントヘッドアセンブリ３００に関連するこれらの特徴の上記の説明は、プリントヘッドアセンブリ４００に見られる対応する同一／同等の特徴にも適用できる。従って、プリントヘッドアセンブリ３００とプリントヘッドアセンブリ４００との同一の特徴は、プリントヘッドアセンブリ４００のこれらの特徴がプリントヘッドアセンブリ３００に関して既に説明されているので、プリントヘッドアセンブリ４００に関しては省略するものとする。

サンプルローディングシステム４０２の各サブシステム４１１は、３／２弁４８０を有する。各サブシステム４１１の３／２弁４８０は、流体ライン４１８によってニードル４１２に結合された第１ポート４８１、流体ライン４１９によってそれぞれのプライミングマニホールド４１４のマニホールド入口４１５に結合された第２ポート４８２、流体ライン４８４によってプリントヘッドポンプ４７７に結合された第３ポート４８３を有する。

プリントヘッドアセンブリ４００は、上記と同じ方法でバイオプリンタ２００ａに使用することができる。理解しやすいように、プリントヘッドアセンブリ４００を使用するバイオプリンタ２００ａは、下記にて「バイオプリンタ２００ｂ」と称するものとする。

バイオプリンタ２００ｂの動作は、リザーバ４０６がプライミングされる方法及びサブシステム４１１がパージされる方法を除いて、バイオプリンタ２００ａの動作と同様である。以下の説明は、これらの差を解説し、更には、サンプルローディングシステム４０２の各サブシステム４１１に関するものである。

リザーバ４０６をプライミングするために、バイオプリンタ２００ｂの制御システム２７２は、バイオプリンタ２００ａに関して上記と同じ方法を使用して、プライミングされるべきリザーバ４０６を減圧する。次に、制御システム２７２は、３／２弁４８０を制御して、ニードル４１２をプリントヘッドポンプ４７７と流体連通するように配置する。次に、制御システム２７２は、プリントヘッドポンプ４７７を制御し、流体スラグをニードル４１２と、流体ライン４１８とを通して、流体ライン４８４に引き込む。続いて、制御システム２７２は、３／２弁４８０を制御して、プリントヘッドポンプ４７７を、各プライミングマニホールド４１４のマニホールド入口４１５と流体連通するように配置する。次に、制御システム２７２は、プリントヘッドポンプ４７７を制御して、流体スラグを流体ライン４８４から流体ライン４１９とマニホールド入口４１５とを通し、各プライミングマニホールド４１４にポンプで送り込む。プライミングされるべきリザーバ４０６が減圧されると、プリントヘッドポンプ４７７によってマニホールド４１４に加えられる正圧により、それぞれのプライミング流体ライン４２０の逆止弁４２１が開放位置に移動し、それによって流体スラグは、プライミングマニホールド４１４からそれぞれのプライミング流体ライン４２０を通って減圧されたリザーバ４０６に流れ込む。減圧されたリザーバ４０６内の流体スラグは、分配流体ライン４２５の通常は閉じられた分配口４２６によって停止されるまで、それぞれの分配流体ライン４２５に流入し、当該ラインを通って流れる。この段階で、減圧されたリザーバ４０６は流体スラグでプライミングを済ませ、制御システム２７２は、プリントヘッドポンプ４７７の動作を停止している。

減圧リザーバ４０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、減圧リザーバ４０６内の圧力を増加させ、これは、それぞれの逆止弁４２１を閉鎖位置に動かして、プライミングマニホールド４１４からの流体の流れがリザーバ４０６に入ることを防止する。

リザーバ４０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、別のリザーバ４０６をプライミングする前に、サブシステム４１１及びそれぞれのマニホールド４１４を洗浄するように構成されてもよい。サブシステム４１１及びそれぞれのマニホールド４１４を洗浄するために、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、空のリザーバ４０６を洗浄液で効果的にプライミングする。次に、制御システム２７２は、プリントヘッドアセンブリ１００と同様の方法で、それぞれのリザーバ４０６から洗浄液を分配する。この洗浄ステップは、選択された３Ｄ細胞構造を制作するために必要な流体で別のリザーバ４０６をプライミングする前に、１回以上繰り返されてもよい。

更なるリザーバ３０６をプライミングするために、制御システム２７２は、上記の方法ステップを繰り返す。
プリントヘッドアセンブリの第４の例示的実施形態

図２７は、本発明の第４の実施形態によるプリントヘッドアセンブリ５００の概略図を示す。プリントヘッドアセンブリ５００は、プリントヘッドアセンブリ３００のプリントヘッドポンプ３７７の代わりに３／２弁５８０を有することを除いて、プリントヘッドアセンブリ３００と同様である。

プリントヘッドアセンブリ３００の特徴と同一又は同等であるプリントヘッドアセンブリ５００の特徴には、プリントヘッドアセンブリ３００の特徴の参照番号に２００を加えた番号が与えられている。プリントヘッドアセンブリ５００とプリントヘッドアセンブリ５００との間で同一である特徴について、プリントヘッドアセンブリ３００に関連するこれらの特徴の上記の説明は、プリントヘッドアセンブリ５００に見られる対応する同一／同等の特徴にも適用できる。従って、プリントヘッドアセンブリ３００とプリントヘッドアセンブリ５００との同一の特徴は、プリントヘッドアセンブリ５００のこれらの特徴がプリントヘッドアセンブリ３００に関して既に説明されているので、プリントヘッドアセンブリ５００に関しては省略するものとする。

プリントヘッドアセンブリ５００の場合、サンプルローディングシステム５０２の各サブシステム５１１は、３／２弁５８０を有する。各サブシステム５１１において、３／２弁５８０は、流体ライン５１８によってニードル５１２に結合された第１ポート５８１、流体ライン５１９によってそれぞれのプライミングマニホールド５１４のマニホールド入口５１５に結合された第２ポート５８２、第３ポート５８３を有する。

プリントヘッドアセンブリ５００は、以下に説明する構造上の差の一つを除いて、上記と同じ方法でバイオプリンタ２００ａに使用することができる。理解しやすいように、プリントヘッドアセンブリ５００を使用するバイオプリンタ２００ａは、下記にて「バイオプリンタ２００ｃ」と称するものとする。

バイオプリンタ２００ｃの各サブシステム５１１について、３／２弁５８０の第３ポート５８３は、流体ライン５８４によってセレクタ弁２５８に結合されている。各サブシステム５１１について、バイオプリンタ２００ｃの制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、３／２弁５８０の第３ポート５８３をバイオプリンタ２００ｃのプリンタポンプ２６２と流体連通すべく、選択的に配置するように構成される。

バイオプリンタ２００ｃの動作は、リザーバ５０６がプライミングされる方法及びサブシステム５１１がパージされる方法を除いて、バイオプリンタ２００ａの動作と同様である。以下の説明は、これらの差を解説し、更には、サンプルローディングシステム５０２の各サブシステム５１１に関するものである。

リザーバ５０６をプライミングするために、バイオプリンタ２００ｃの制御システム２７２は、バイオプリンタ２００ａに関して上記と同じ方法を使用して、プライミングされるべきリザーバ５０６を減圧する。次に、制御システム２７２は、セレクタ弁２５８を制御して、ポンプ２６２を３／２弁５８０の第３ポート５８３と流体連通するように配置する。制御システム２７２は、３／２弁５８０も制御し、第３ポート５８３がニードル５１２と流体連通するように配置する。次に、制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２を制御し、流体スラグをニードル５１２と、流体ライン５１８とを通して、流体ライン５８４に引き込む。続いて、制御システム２７２は、３／２弁５８０を制御して、第３ポート５８３を、各プライミングマニホールド５１４のマニホールド入口５１５と流体連通するように配置する。次に、制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２を制御して、流体スラグを流体ライン５８４から流体ライン５１９とマニホールド入口５１５とを通し、各プライミングマニホールド５１４にポンプで送り込む。プライミングされるべきリザーバ５０６が減圧されると、プリンタポンプ２６２によってマニホールド５１４に加えられる正圧により、それぞれのプライミング流体ライン５２０の逆止弁５２１が開放位置に移動し、それによって流体スラグは、プライミングマニホールド５１４からそれぞれのプライミング流体ライン５２０を通って減圧されたリザーバ５０６に流れ込む。減圧されたリザーバ５０６内の流体スラグは、分配流体ライン５２５の通常は閉じられた分配口４５２６によって停止されるまで、それぞれの分配流体ライン５２５に流入し、当該ラインを通って流れる。この段階で、減圧されたリザーバ５０６は流体スラグでプライミングを済ませ、制御システム２７２は、プリンタポンプ２６２の動作を停止している。

減圧リザーバ５０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、それぞれの圧力調整器２５６を制御して、減圧リザーバ５０６内の圧力を増加させ、これは、それぞれの逆止弁５２１を閉鎖位置に動かして、プライミングマニホールド５１４からの流体の流れがリザーバ５０６に入ることを防止する。

リザーバ５０６がプライミングされた後、制御システム２７２は、別のリザーバ５０６をプライミングする前に、サブシステム５１１及びそれぞれのマニホールド５１４を洗浄するように構成されてもよい。サブシステム５１１及びそれぞれのマニホールド５１４を洗浄するために、制御システム２７２は、上記と同様の方法で、空のリザーバ５０６を洗浄液で効果的にプライミングする。次に、制御システム２７２は、プリントヘッドアセンブリ１００と同様の方法で、それぞれのリザーバ５０６から洗浄液を分配する。この洗浄ステップは、選択された３Ｄ細胞構造を制作するために必要な流体で別のリザーバ５０６をプライミングする前に、１回以上繰り返されてもよい。

更なるリザーバ５０６をプライミングするために、制御システム２７２は、上記の方法ステップを繰り返す。
細胞の動き及び攪拌／再懸濁プロセス

図２６Ａは、プリントヘッドアセンブリ１００の単一のプライミングされていない（つまり、空の）リザーバ１０６、プライミング流体ライン１２０、及び分配流体ライン１２５を示している。ノズルの形態である分配口１２６は、いくつかのセル印刷状況下で不感帯１７８を有する可能性があることが見出された。不感帯１７８は、流体の流れがほとんど又は全く起こらない、分配口１２６内の領域である。

図２６Ｂは、細胞１２を有する細胞懸濁液１０でプライミングされた単一のリザーバ１０６、プライミング流体ライン１２０、及び分配流体ライン１２５を示す。図示されているように、細胞懸濁液１０は均質である。図２６Ｃを参照すると、一定期間後、細胞懸濁液１０内の細胞１２は沈降し始め、流体ライン１２６が実質的に真っ直ぐであるため、細胞１２は、分配口１２６の不感帯１７８に沈降する。

図２６Ｄは、リザーバ１０６及び分配流体ライン１２５に適用される上記の攪拌／再懸濁プロセスを示す。図示されているように、空気１４は、分配流体ライン１２５及びリザーバ１０６を通って泡立つ。しかしながら、不感帯１７８には流体の流れがほとんど、或いは全くないので、図２６Ｅに図示されているように、不感帯１７８に沈降した細胞１２のうち、細胞懸濁液１０に再懸濁される細胞は、あるとしても極僅かに過ぎない。不感帯１７８に沈降した細胞１２を再懸濁する能力がほぼないので、プリントヘッドアセンブリ１００を使用して印刷された任意の３Ｄ細胞構造は、予想よりも低い濃度の細胞１２を含むことになる、これは、３Ｄ細胞構造から得られる結果に悪影響を及ぼし得る。

図２７Ａは、単一のプライミングされていない（つまり、空の）リザーバ１０６、プリントヘッドアセンブリ１００のプライミング流体ライン１２０を示している。図２７では、分配流体ライン１２５は、分配流体ライン６２５に置き換えられている。分配流体ライン６２５は、分配流体ライン１２５と同様であり、分配流体ライン６２５が粒子トラップ６７９を有すると予想される。一実施形態において、粒子トラップ６７９は、一連の屈曲部を含む。

分配流体ライン１２５の特徴と同一又は同等である分配流体ライン６２５の特徴には、分配流体ライン１２５の特徴の参照番号に５００を加えた番号が与えられている。分配流体ライン１２５と分配流体ライン６２５との間で同一である特徴について、分配流体ライン１２５に関連するこれらの特徴の上記の説明は、分配流体ライン６２５で見られる対応する同一／同等の特徴にも適用できる。従って、分配流体ライン１２５と分配流体ライン６２５との同一の特徴は、分配流体ライン６２５のこれらの特徴が分配流体ライン１２５に関して既に説明されているので、分配流体ライン６２５に関しては省略するものとする。

図２７Ｂは、細胞１２を有する細胞懸濁液１０でプライミングされた単一のリザーバ１０６、プライミング流体ライン１２０、及び分配流体ライン６２５を示す。見られるように、細胞懸濁液１０は均質である。図２７Ｃを参照すると、一定期間後、細胞懸濁液１０内の細胞１２は、粒子トラップ６７９内に沈降し始める。従って、粒子トラップ６７９は、セル１２が分配口６２６の不感帯６７８に沈降するのを制限／防止する。

図２７Ｄは、リザーバ１０６及び分配流体ライン６２５に適用される上記の攪拌／再懸濁プロセスを示す。図示されているように、空気１４は、分配流体ライン６２５及びリザーバ１０６を通って泡立つ。細胞１２の大部分が粒子トラップ６７９にトラップされると、分配流体ライン６２５を通って泡立った空気１４は、細胞１２を再懸濁し、リザーバ１０６に戻る。

図２６Ｅを参照すると、攪拌／再懸濁プロセスが完了した後、リザーバ１０６内の細胞懸濁液１０は均質である。リザーバ１０６内の均質な細胞懸濁液１０は、所望の濃度の細胞１２を有する３Ｄ細胞構造を印刷することを許容でき、それにより、印刷された３Ｄ細胞構造からより正確な結果が得られる。

図２８Ａ～図２８Ｃは、別の実施形態による、粒子トラップ６７９を有する分配流体ライン６２５Ａ～６２５Ｃを示す。これらの図に図示されているように、粒子トラップ６７９は、分配流体ライン６２５内に一つ以上の略垂直なループを作成することによって形成される。

図２９は、別の実施形態による、粒子トラップ６７９を有する分配流体ライン６２５Ｄを示す。この図に図示されているように、粒子トラップ６７９は、分配流体ライン６２５に複数の水平ループを作成することによって形成される。単一の水平ループで十分であることも想定される。

分配流体ライン６２５は、プリントヘッドアセンブリ１００を参照して説明及び図示されてきたが、分配流体ライン６２５は、上記のプリントヘッドアセンブリ３００、４００、５００と共に使用することもできる。粒子トラップ６７９は、細胞の捕捉に用いられると記載されているが、流体懸濁液に懸濁された他の粒子を捕捉するために用いられてもよい。
バイオインク

本明細書において、バイオインクは、細胞が懸濁又は収容され得る１種以上の高分子の水溶液として定義される。活性化又は架橋すると、バイオインクの化学的及び物理的組成によって定義される物理的及び化学的特性を有するヒドロゲル構造を生成する。高分子は、合成及び天然の両方のポリマー、タンパク質、及びペプチドの配列として定義される。高分子は、天然状態であってもよく、アミン又はチオール反応性官能基で化学的に修飾されていてもよい。

合成高分子は、以下を含んでもよい。
・フルクトース、スクロース、又はグルコース官能基を含むポリマーなどの多糖類。
・ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート（ＰＨＥＭＡ）、ポリ（ε－カプロラクトン）（ＰＣＬ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、ポリ（ＮＩＰＡＡＭ）、ポリ（プロピレンフマレート）（ＰＰＦ）などの非イオン性ポリマー、並びに誘導体。
・高分子電解質：正又は負の電荷を帯びたポリマー、両性及び双性イオン性ポリマー。
・ポリペプチド：多くのアミノ酸（最低２アミノ酸）の単一の直鎖で、アミド結合によって結合されている。
・合成ポリマーを含む核酸塩基：核酸塩基（アデニン、チミン、グアニン、又はシトシン）の繰り返し単位を持つポリマー。

天然高分子は、以下を含んでもよい。
・アルギン酸塩、キトサン、ジェランガム、ヒアルロン酸、アガロース、グリコサミノグリカンなどの多糖類。
・ゼラチン、フィブリン、コラーゲンなどのタンパク質。
・一本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）、二本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）ＤＮＡｚｙｍｅ及びアプタマーなどのＤＮＡ及びオリゴヌクレオチド。
・基底膜抽出物。

アミン反応性官能基には、アルデヒド、エポキシ、Ｎ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）及び２－ビニル－４，４－ジメチルアズラクトン（ＶＤＭ）が含まれてもよい。

チオール反応性官能基には、アルケン、アルキン、アジド、ハロゲン及びシアネートが含まれてもよい。

使用され、適切であることが見出されたバイオインクは、１０ｖ／ｖ％ＦＣＳ、Ｌ－グルタミン及びピルビン酸ナトリウムが補充されたカルシウムを含まないＤＭＥＭに溶解されたアルギン酸塩（２ｗ／ｖ％）であった。

分散したＳＫ－Ｎ－ＢＥ（２）神経芽細胞腫細胞を有するバイオインクは、バイオインク含有細胞と呼ばれる。
活性剤

本明細書において、活性剤は、バイオインクと相互作用してヒドロゲル構造を形成する小分子又は高分子のいずれかを含む水溶液である。得られるヒドロゲルの物理的特性を制御するために、活性剤の組成を変更することができる。使用される活性剤の種類は、使用される高分子及び意図される架橋プロセスに大きく依存する。

活性剤は、以下から選択することができる。
・炭酸カルシウム、塩化カルシウム、塩化ナトリウム、硫酸マグネシウム、水酸化ナトリウム、塩化バリウムなどの無機塩。
・２，２－ジメトキシ－２－フェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡ）やイルガキュアなどの光開始剤。
・高分子電解質：バイオインクの高分子とは反対の電荷を帯びるポリマー。陽イオン性、陰イオン性、両性及び双性イオン性であってもよい。
・ポリペプチド：多くのアミノ酸（最低２アミノ酸）の単一の直鎖で、アミド結合によって結合されている。
・ＤＮＡリンカー：バイオインクの高分子に存在するものを補完するヌクレオチド又はＤＮＡ配列を運ぶ高分子。
・天然又は化学修飾により、アミン又はチオール基を持つ天然又は合成高分子。

アルギン酸塩バイオインクに使用された活性剤は、ＭｉｌｌｉＱ水に溶解された４ｗ／ｖ％の塩化カルシウムであった。
架橋又はゲル化

これは、個々の高分子鎖が活性剤によって一緒に連結されてヒドロゲルを形成するプロセスである。架橋プロセスは、化学的又は物理的架橋のいずれかに分類できる。物理的架橋又は非共有架橋には、次のものが含まれる。
・イオン架橋：高分子と活性剤に存在する反対の電荷の相互作用を介した架橋。活性剤は、荷電オリゴマー、イオン性塩及びイオン性分子を含んでもよい。
・水素結合：極性分子の静電引力による架橋。この場合、高分子と活性剤は極性機能を持っている。
・温度架橋：温度変化（加熱又は冷却）への応答としての高分子鎖の再配列による架橋。
・疎水性相互作用又はファンデルワールス力。

化学的又は共有結合的架橋は、高分子と活性剤との間の化学反応を伴う。反応の種類としては次のものが挙げられる。
・ＵＶ又は光照射によって架橋反応が促進される光架橋。
・水性媒体中でのチオールとビニル運搬高分子間のマイケル型付加反応。
・アミノ基とアルデヒド基の間のシッフ塩基反応。
・ディールスアルダー反応。
・クリックケミストリー。
・活性エステル基へのアミノリシス反応。
・酵素の架橋。

他のバイオインク及び活性剤の組み合わせの例は、以下の表に示されている。

細胞インク

本明細書では、細胞インクは、１種以上の分子又は高分子の水溶液である。当該水溶液中で、細胞は、３Ｄバイオプリンティングプロセス全体にわたって均一に懸濁されたままである。細胞インクの濃度は、細胞が沈降するのを防ぐように最適化されているが、それでも高い細胞生存率を維持する。

セルリンクは、以下から選択することができる。
・グリセロールなどの小分子
・Ｆｉｃｏｌｌ（商標）、デキストラン、アルギン酸塩、ジェランガム、メチルセルロースなどの高分子、及びポリ（ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）

Ｆｉｃｏｌｌ（商標）は、水溶液に容易に溶解する、中性、高度分岐化、高質量、親水性の多糖類である。Ｆｉｃｏｌｌ（商標）の半径は２～７ｎｍの範囲で、多糖類とエピクロロヒドリンの反応によって調製される。Ｆｉｃｏｌｌ（商標）は、ＧＥヘルスケア企業が所有する登録商標である。

ＰＢＳに溶解したＦｉｃｏｌｌ（商標）４００（１０ｗ／ｖ％）を細胞インクとして使用した。

分散したＳＫ－Ｎ－ＢＥ（２）神経芽細胞腫細胞を有する細胞インクは、細胞インク含有細胞と呼ばれる。

ジェランガムは、細菌スフィンゴモナス・エロデア（以前のシュードモナス・エロデア）によって産生される水溶性陰イオン性多糖である。
細胞培養溶液

本明細書において、細胞培養溶液は、培養細胞と接触する液体であり、様々な細胞関連の作業に適している。準備プロセスには、塩とｐＨのバランスの注意深い分析、生体適合性分子のみの取り込み、滅菌が含まれる。

細胞培養溶液としては、次のようなものが挙げられる。
・ダルベッコ改変イーグル培地（ＤＭＥＭ）、イーグル最小必須培地（ＭＥＭ）、イスコフ改変ダルベッコ培地（ＩＭＤＭ）、Ｍｅｄｉａ１９９、ＨａｍＦ１０、ＨａｍＦ１２、ＭｃＣｏｙ５Ａ、ロズウェルパーク記念研究所（ＲＰＭＩ）培地などの細胞培養培地。
・胎児子牛血清（ＦＣＳ）、上皮成長因子（ＥＧＦ）、塩基性線維芽細胞成長因子（ｂＦＢＦ）、線維芽細胞成長因子（ＦＢＦ）、内皮細胞成長因子（ＥＣＧＦ）、インスリン様成長因子１（ＩＧＦ－１）、血小板由来成長因子（ＰＤＧＦ）などの成長サプリメント。
・ＰＢＳ、ＨＥＰＥＳ、ＣＨＥＳなどの生物学的バッファー。
・キレート化及び安定化液。
・滅菌されたＭｉｌｌｉＱ水。
細胞培養条件

細胞及び３Ｄ組織培養モデルは、標準的な細胞培養技術を使用して、インキュベート、培養、及び維持することができる。ヒドロゲル型にカプセル化された細胞を含む３Ｄ組織培養モデルは、細胞増殖又はスフェロイド形成を可能にする、又は維持する条件下でインキュベートすることができる。インキュベーションは通常、ほとんどの動物及びヒトの細胞株で、約３７℃、５％のＣＯ２レベルで少なくとも２４時間実施される。インキュベーションは、ヒドロゲル型内の細胞の種類の成長、維持、又はスフェロイド形成を可能にする任意の適切な条件、温度、持続時間で実施できる。
ユーティリティ液

ユーティリティ液は、細胞と接触しないが、細胞に曝露されたバイオプリンタ２００の全ての表面を洗浄及び滅菌するために使用される溶液として定義される。言い換えれば、ユーティリティ液は、カートリッジ２３２の洗浄容器２４０に含まれ得る洗浄液である。これらの溶液には次のものが含まれてもよい。
・正しい濃度のエタノール
・滅菌ＭｉｌｌｉＱ水
・細胞培養培地
・洗剤
・過酸化水素溶液（最大濃度２ｗ／ｖ％）
バイオインクの調製

最初に、バイオインクは、適切な種類及び量の高分子を適切な細胞培養溶液中で混合することによって調製される。均一性を達成した後、ブランクのバイオインクは、ＵＶ照射と濾過（０．２２μｍフィルタ）の両方で滅菌される。その後、バイオインクは更に使用するまで４℃に保たれる。
細胞の調製

ＰＢＳで洗浄することにより細胞を回収する。ＰＢＳを吸引する。トリプシンを加え、３７℃でインキュベートして細胞をフラスコ表面から分離する。組織培養溶液を加えて、解離した細胞をチューブに集める。細胞を遠心分離し、上清を吸引し、ペレットを新鮮な培地に再懸濁する。等量の細胞懸濁液とトリパンブルー染色を混合して細胞数を数える。計算を行い、細胞濃度を決定する。次に、必要な数の細胞をバイオインク、細胞インクに追加したり、細胞培養溶液に追加したりできる。
活性剤の調製

相応する種類及び量の分子を適切な細胞培養溶液に溶解した。得られた溶液は、使用前にＵＶ照射及び濾過により滅菌された。
細胞インクの準備

相応する種類及び量の分子を適切な細胞培養溶液に溶解した。均一性を達成した後、得られた溶液は、使用前にＵＶ照射及び濾過により滅菌された。次に、細胞インクを更に使用するまで室温に保った。
細胞採取

特定のコンフルエンシーでの目的の培養細胞は、すでに確立されたプロトコルに従うことによって採取される。バイオインク又は細胞インクを含む細胞を構成するために、採取した細胞を正しい細胞濃度で再懸濁し、２００μｌのバイオインク又は細胞インクを、１ｍｌ当たり細胞２億５２００万個の濃度にする。得られた細胞ペレットは、適切な量のバイオインク又は細胞インクに再分散される。これで、バイオインク又は細胞インクを含む細胞を３Ｄバイオプリンタで使用できるようになる。
ヒドロゲル型の印刷

ヒドロゲル型は、ドロップオンドロッププロセスを使用して印刷することができ、それにより、バイオインクの液滴及び活性剤の液滴が互いの上に堆積されて、ヒドロゲルが生成される。このプロセスを繰り返して、ヒドロゲルの層を構築することにより、３Ｄヒドロゲル構造を形成することができる。
細胞型

スフェロイドなどの３Ｄ組織培養モデルは、哺乳動物肝細胞、胃腸細胞、膵臓細胞、腎臓細胞、肺細胞、気管細胞、血管細胞、骨格筋細胞、心臓細胞、皮膚細胞、平滑筋細胞、結合組織細胞、角膜細胞、泌尿生殖器細胞、乳房細胞、生殖細胞、内皮細胞、上皮細胞、線維芽細胞、神経細胞、シュワン細胞、脂肪細胞、骨細胞、骨髄細胞、軟骨細胞、周皮細胞、中皮細胞、内分泌組織に由来する細胞、間質細胞、幹細胞、前駆細胞、リンパ細胞、血液細胞、内胚葉由来細胞、外胚葉由来細胞、中胚葉由来細胞、又はそれらの組み合わせなどの付着細胞を含む任意の適切な細胞型から制作することができる。

その他の細胞型には、他の真核細胞（例えば、チャイニーズハムスター卵巣）、細菌（例えば、ヘリコバクターピロリ）、真菌（例えば、ペニシリウムクリソゲナム）及び酵母（例えば、サッカロミセスセレビシエ）が含まれてもよい。

細胞株ＳＫ－Ｎ－ＢＥ（２）（神経芽細胞腫細胞）は、様々な条件下で３Ｄ組織培養モデルを作製するプロセスにおいて成功裏に用いられてきた。開発されたプロセスによって生成された３Ｄ組織モデルにおいて必要とされるように、他の細胞株が機能することが期待される。使用され得る他の細胞株には、ＤＡＯＹ（ヒト髄芽腫癌細胞）、Ｈ４６０（ヒト非小細胞肺癌）及びｐ５３Ｒ１２７Ｈ（ヒト膵臓癌細胞）が含まれる。適切になり得る他の細胞株は０８８と０８９にリストされている。

３Ｄバイオ印刷技術は、ドロップオンデマンド技術を介してヒドロゲル型にカプセル化された高密度３Ｄ組織培養モデルを生成するために開発された。具体的には、３Ｄ印刷技術を使用して、様々な３Ｄ構造を制作するために層ごとに構築されたバイオインクと活性剤を使用して生体適合性ヒドロゲル型を印刷した。ヒドロゲル型の制作中に、高細胞密度の液滴をヒドロゲル型に含ませることができる。

当業者は、広く記載されている本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されるように、本発明に対して多数の変形及び／又は修正を行うことができることを理解されたい。従って、本実施形態は、全ての点において例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、本発明が他の多くの形態で具体化されてもよいことを当業者は理解するはずである。当業者は、広く説明されている技術の精神又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されているように、技術に対して多数の変形及び／又は修正を行うことができることを理解されたい。従って、本実施形態は、全ての点において例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。

Claims (26)

1. ３Ｄバイオプリンタに適するプリントヘッドアセンブリであって、
   リザーバ、
   前記リザーバと流体連通し、流体を前記リザーバに誘導するように構成されたサンプルローディングシステム、及び
   前記リザーバと流体連通し、前記リザーバから流体を分配するように構成された分配口を有する分配システム、を含む、プリントヘッドアセンブリ。
2. 前記リザーバは複数のリザーバの一つであり、
   前記サンプルローディングシステムは、各リザーバと流体連通し、流体を前記複数のリザーバのいずれか一つに誘導するように構成され、
   前記分配口は、複数の分配口の一つであり、
   各分配口は、前記複数のリザーバの一つと流体連通し、各リザーバから流体を分配するように構成される、請求項１に記載のプリントヘッドアセンブリ。
3. 前記サンプルローディングシステムは、容器から流体を引き出し、前記流体で前記複数のリザーバのいずれか一つをプライミングするように構成される、請求項２に記載のプリントヘッドアセンブリ。
4. 前記サンプルローディングシステムは、前記複数のリザーバと流体連通するマニホールドを含み、前記マニホールドは、流体を前記複数のリザーバのいずれか一つに誘導するように構成される、請求項２又は３に記載のプリントヘッドアセンブリ。
5. 前記サンプルローディングシステムは、複数のプライミング流体ラインを更に含み、各プライミング流体ラインは、流体連通している一つのリザーバを前記マニホールドに結合する、請求項４に記載のプリントヘッドアセンブリ。
6. 各リザーバは、リザーバ出口とリザーバ入口とを有し、
   各分配口は、前記複数のリザーバの一つにおける前記リザーバ出口と流体連通し、
   各プライミング流体ラインは、前記マニホールド、及び前記複数のリザーバの一つにおける前記リザーバ入口と流体連通している、
   請求項５に記載のプリントヘッドアセンブリ。
7. 前記各分配口は、分配流体ラインにより前記複数のリザーバの一つにおける前記リザーバ出口に流体連通で結合される、請求項６に記載のプリントヘッドアセンブリ。
8. 前記各分配流体ラインは、粒子が前記各分配口に沈降することを低減するように構成された粒子トラップを含む、請求項７に記載のプリントヘッドアセンブリ。
9. 前記粒子トラップは、前記分配流体ラインにおける一つ以上のループである、請求項８に記載のプリントヘッドアセンブリ。
10. 前記各プライミング流体ラインは、流体が前記マニホールドから前記各リザーバに流れることを可能にする開放構成と、流体が前記マニホールドから前記各リザーバに流れるのを防ぐ閉鎖構成と、を有する弁を含む、請求項５～９のいずれか１項に記載のプリントヘッドアセンブリ。
11. 前記サンプルローディングシステムは、前記マニホールドの入口と流体連通で結合され、流体を前記サンプルローディングシステムに引き込み、流体を前記サンプルローディングシステムから前記リザーバのいずれか一つにポンプで送り込むように構成されたポンプを含む、請求項３～１０のいずれか１項に記載のプリントヘッドアセンブリ。
12. 前記サンプルローディングシステムは、前記マニホールドの前記入口と流体連通し、容器から流体を引き出すために前記容器に挿入されるように構成されるニードルを更に含む、請求項１１に記載のプリントヘッドアセンブリ。
13. 前記サンプルローディングシステムは、前記ニードルを前記容器に挿入して前記容器から流体を引き出し、前記ニードルを前記容器から引き抜くように構成されたアクチュエータを更に含む、請求項１２に記載のプリントヘッドアセンブリ。
14. 前記各リザーバは、加圧ガス源に流体連通で結合され、前記各リザーバを加圧するように構成される、請求項１～１３のいずれか１項に記載のプリントヘッドアセンブリ。
15. 前記各リザーバは、圧力調整器に結合され、各リザーバ内の圧力を調整するように構成される、請求項１４に記載のプリントヘッドアセンブリ。
16. 前記各分配口は、各リザーバから流体を分配することを可能にする開放構成と、流体が各リザーバから分配されるのを防ぐ閉鎖構成と、を有するノズルである、請求項２～１５のいずれか１項に記載のプリントヘッドアセンブリ。
17. 細胞を印刷する３Ｄバイオプリンタであって、
    請求項１～１６のいずれか１項に記載のプリントヘッドアセンブリ、
    ３Ｄ細胞構造を制作できる基板を配置する印刷ステージ、及び
    カートリッジレセプタクル、を含む、バイオプリンタ。
18. 前記プリントヘッドアセンブリ、前記印刷ステージ、及び前記カートリッジレセプタクルが配置されるハウジングを更に含む、請求項１７に記載のバイオプリンタ。
19. 前記ハウジングは、前記バイオプリンタの内部へのアクセスを可能にする開放位置と、前記バイオプリンタの内部へのアクセスを防止する閉鎖位置とを有するアクセスドアを含む、請求項１８に記載のバイオプリンタ。
20. 各リザーバ内の圧力を調整するために各リザーバに流体連通で結合され、各リザーバを加圧するための加圧ガス源に流体連通で結合されるように構成された圧力調整システムを更に含む、請求項１７～１９のいずれか１項に記載のバイオプリンタ。
21. 前記ハウジング内に配置され、前記ハウジング内に気流を引導するように構成された気流システムを更に含む、請求項１８～２０のいずれか１項に記載のバイオプリンタ。
22. 前記カートリッジレセプタクルと前記印刷ステージとが配置されるホルダを更に含む、請求項１７～２１のいずれか１項に記載のバイオプリンタ。
23. 軌道を有する第１位置決め部を更に含み、前記第１位置決め部は、前記ホルダに結合され、その軌道に沿って前記ホルダの位置決めを行うように構成される、請求項２２に記載のバイオプリンタ。
24. 軌道を有する第２位置決め部を更に含み、前記第２位置決め部は、前記プリントヘッドアセンブリに結合され、その軌道に沿って前記プリントヘッドアセンブリの位置決めを行うように構成される、請求項１７～２３のいずれか１項に記載のバイオプリンタ。
25. 請求項１～１７のいずれか１項に記載のプリントヘッドの分配システムから複数の流体液滴を分配することにより三次元（３Ｄ）細胞構造を印刷する方法。
26. 請求項１７～２４のいずれか１項に記載のバイオプリンタの分配システムから複数の流体液滴を基板上に分配することにより三次元（３Ｄ）細胞構造を制作する方法。

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