JP2023546499A - 内部性質変動を伴う物体の３ｄプリントのための断層撮影液槽光重合法 - Google Patents

内部性質変動を伴う物体の３ｄプリントのための断層撮影液槽光重合法 Download PDF

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Abstract

本開示は、マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法に関し、この方法は、物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算することであって、これらいくつかの投影は第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影を含む、計算することと、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分、第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分であって、第二材料は第一材料とは異なる機械的性質を有する、第二感光性成分を含む造形容積を与えることと、第一波長を有する光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、第二波長を有する光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で造形容積を照射することと、それによりマルチマテリアル三次元物体を物理的に再現することとを含む。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、特定の配向及び波長でのいくつかのパターンの光での造形容積の照射によってマルチマテリアル三次元物体を製造するための方法及びシステムに関する。方法は、造形容積の照明された造形物の凝固した材料及び性質を定義する三次元エネルギー分布が波長ごとに生成されるように、造形容積を照射することを含む。
３Ｄプリントは、三次元モデルデータに基づいて広範囲の構造体及び複雑な幾何学的形状を製造するための付加製造（ＡＭ）技法である。このプロセスは、材料を互いの上面に印刷した連続層に依存する。この技術は、光造形法（ＳＬＡ）として知られているプロセスで１９８６年にＣｈａｒｌｅｓ Ｈｕｌｌによって最初に開発された。
ＳＬＡでは、ＵＶ光または電子ビームを使用して、アクリル系またはエポキシ系などの樹脂またはモノマーの溶液の層上で連鎖反応を開始する。モノマーは、ＵＶ活性であり、活性化（ラジカル化）後にポリマー鎖に変換される。重合により、樹脂層の内部にパターンが生成され、樹脂層が凝固すると、その後の層を保持することができる。印刷後、未反応の樹脂を取り除く。さらに、材料及び所望の機械的性質に応じて、加熱または光硬化などのプロセス後の処理を印刷した物体に適用することができる。
ＳＬＡは、汎用性の高い方法であり、迅速で安価なプロトタイプでの成功に主に起因して広く使用されているが、印刷速度が遅いという欠点がある。これは、層ごとの処理方法であるため、ＳＬＡに固有の性質である。層が照射されて硬化すると、造形方向に応じて、未硬化材料の新しい層を固体層の上または下に設ける必要がある。最も一般的には、未硬化材料は、表面を機械的に再コーティングすることによって与えられるため、印刷時間が長くなるだけでなく、成形された造形物を歪めるように作用する可能性がある。
本発明者らは、３Ｄプリントが層ごとの処理に限定される必要がないことを認識し、代わりに、本発明者らは、３Ｄプリントが造形容積上に投影された三次元エネルギー分布によって物体を再現することができる方法によって達成され得ることを認識した。造形容積は、複数の感光性成分を含むことができ、各感光性成分の活性化により、それぞれ異なる性質、例えば異なる機械的性質を有する材料が形成されることができる。このようにして、この方法は、複雑な材料からの迅速な製造を可能にし得る。さらに、造形容積は、未分化幹細胞、例えば人工多能性幹細胞などの細胞を含んでもよい。この方法は、例えば、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植など、人工組織の形成に適用されることができる。
したがって、本開示は、第一態様では、マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法に関し、
この方法は、
物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算することであって、これらいくつかの投影は、
第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
を含む、計算することと、
造形容積を与えることであって、この造形容積は、
第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分、
第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分であって、この第二材料は第一材料とは異なる機械的性質を有する、第二感光性成分、
を含む、与えることと、
第一波長を有する光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、第二波長を有する光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で造形容積を照射することと、
それによりマルチマテリアル三次元物体を物理的に再現することと、
を含む。
断層撮影液槽光重合法により、層ごとの処理に限定されない超高速３Ｄプリントが可能になる。この方法は、複数の感光性成分と、複数の波長の光を発生するための１つまたは複数の光源とを含むことができるため、ボクセル単位で定義される内部性質の変動を伴うマルチマテリアル三次元物体の再現が起こることができる。
いくつかの感光性成分を選択して、活性化時に、各感光性成分に対応する、波長ごとに特有の三次元エネルギー分布の形成と組み合わせて、異なる剛性など、特定の所望の性質を有する材料を形成することにより、マルチマテリアル三次元物体の性質分布は、ボクセルごとに個別に選択されることができる。好ましくは、方法は、異なる波長間の線量比を、例えばボクセルごとの化学的及び機械的性質のカスタマイズに変換する、造形容積のボクセルごとに個別に指定し得るように配置される。
好ましくは、第一投影及び第二投影の計算ステップは、マルチマテリアル三次元物体の機械的性質の分布によって定義される。例えば、マルチマテリアル三次元物体は、造形容積のいくつかのボクセルで再現されてもよく、計算するステップは、ボクセルのそれぞれについて、第一波長を有する光と第二波長を有する光との間の比率を、これらの比率によるボクセルの照射時に各ボクセルの機械的性質が決定されるように決定することを含む。
通常、三次元マルチマテリアル物体は、物体の三次元での機械的剛性が徐々に変動するような傾斜機能材料で構成される、またはそれを含む。ある実施形態は感光性成分の逐次活性化を含み得るが、感光性成分の活性化が少なくとも部分的に重なる、好ましくは完全に重なる、すなわち感光性成分が同時に活性化されることが好ましい。一般に、第一波長及び第二波長を含む光による造形容積の同時照射のみが、そのような傾斜機能材料を生成することができる。すなわち、第一及び第二波長を使用して、造形容積の第一及び第二感光性成分のうちの少なくとも１つを別々に活性化することができる。
造形容積は、いくつかの感光性成分を含むことができ、同数の三次元エネルギー分布を造形容積に照射することができる。これらのエネルギー分布のそれぞれは、通常、別個の感光性成分を活性化するために、異なる波長分布及び／または異なる波長の光によって与えられる。これにより、各三次元エネルギー分布は、再現された物体の材料の分布、照射の波長分布に対応する材料の分布、そしてその結果、機械的性質などの性質の分布をもたらす。
本開示は、第二態様では、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムに関し、
このシステムは、
物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するように構成された処理ユニットであって、これらいくつかの投影は、
第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
を含む、処理ユニットと、
複数の波長で制御された空間パターンの光を発することができる投影システムであって、制御された空間パターンは投影に由来する、投影システムと、
造形容積であって、
第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分、及び
感光性材料の第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分、
を含む、造形容積と、
造形容積に対するこれらのパターンの光の入射方向を制御可能に変動させるための方向調整ユニットと、
第一波長を有する光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、第二波長を有する光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で造形容積が照射されるように、方向調整ユニット及び投影システムを制御するように構成されたコントローラと、
を含む。
これらの投影は、例えば、断層撮影再構成フィルタを後に伴うラドン変換の適用によって形成され得る。結果として得られる投影は、それぞれが対応する配向角を有する二次元パターンであり得る。造形容積の照射は、複数の光源を使用することによって実行されることができ、複数の光源が異なる角度から造形容積を照射してもよく、または単一光源が使用されてもよい。ただし、第一投影に基づいた光のパターンが第二投影に基づいた光のパターンとは異なる波長分布で照射されることが好ましい。
好ましくは、システムは、造形容積を第一波長で第一シーケンスの空間光のパターンによって照明し、並行してまたはその後、マルチマテリアル三次元物体が形成されるまで、造形容積を第二波長で第二シーケンスの空間光のパターンによって照明するように構成される。ただし、システムは、任意の数のシーケンスの空間光のパターンで造形容積を照明するように構成され得、任意の数のシーケンスの空間光のパターンは、それぞれが異なる波長を有し、それぞれの波長で活性化される対応する感光性成分をそれぞれが含み得る。
本開示の特定の実施形態による、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムを示す。 例示的なモノマーの構造式を示す。 本開示の特定の実施形態による、マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法を概説するフローチャートを示す。 本開示の特定の実施形態による、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムの構成要素間の通信を概説するフローチャートを示す。 例示的なマルチマテリアル三次元物体を示す。 マルチマテリアル三次元物体の投影を示す。
本明細書で使用される場合、感光性成分という用語は、電磁放射、通常、可視または紫外領域内の光に露光されるとその性質を変化させる材料である。これらの変化は、構造上に現れることが多く、例えば、材料の硬化は、光への露光時の架橋結合の結果として起こる。材料は、電磁放射によって活性化されるために、光重合開始剤及び／または光増感剤を含んでもよい。活性化により、モノマー及び／またはプレポリマーなどの感光性成分の他の成分の重合が起こり得る。
本明細書で使用される場合、重合という用語は、化学反応でプレポリマー及び／またはモノマーの分子を合わせて反応させて、ポリマー鎖または三次元ネットワークを形成するプロセスである。光重合反応は、通常、可視光または紫外光の吸収によって開始される連鎖重合である。光は、反応体モノマーによって直接吸収されるか（直接光重合）、光増感剤または光重合開始剤によって吸収されるかいずれかであってもよい。
本明細書で使用される場合、プレポリマーという用語は、反応性基によってより高い分子量状態に重合できる、またはさらに重合できる、中間の分子質量状態に反応している、モノマーまたはモノマー系を指す。
本明細書で使用される場合、光重合開始剤という用語は、光による照射時に光子を吸収し、励起状態から反応性種を形成し、これらの反応性種が逐次反応を開始する分子を指す。これらの開始種は、ラジカル類、カチオン類、またはアニオン類であり得る。異なる光重合開始剤は、高エネルギー吸収を示す波長範囲によって区別されるため、それらの特有の吸収スペクトルによって容易に記述される。したがって、励起光源の波長の選択と光重合開始剤の組成は、互いに密接に関連している。
本明細書で使用される場合、方向調整ユニットという用語は、造形容積及び投影ユニットの相対的な配向を制御するように構成されるシステムを指す。例えば、方向調整ユニットは、投影ユニットが静止している間などに、造形容積を回転させることにより、複数の配向から造形容積に投影するように構成された方向調整ユニットを含むことができる。代替に、またはさらに、投影ユニットは造形容積を中心に回転することができる。通常、回動及び／または回転は水平面でのものであるが、どの平面でのものであってもよい。
本明細書で使用される場合、ボクセルという用語は、概念的な三次元空間を構成する体積の要素のアレイのそれぞれ、特に、マルチマテリアル三次元物体など、三次元物体の表現が分割される個別要素のアレイのそれぞれを指す。これとは対照的に、ポイントまたはピクセルは、通常、アドレス指定可能な最小の個別要素などの個別ポイントを指す。
第一態様では、本開示は、複数の材料を含む三次元物体を製造するための方法に関する。この方法が物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するステップを含む。これらいくつかの投影は、第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影と、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影とを含み得る。
本開示のさらなる実施形態では、方法は、例えばレセプタクルに収容される、造形容積を与えることを含む。この造形容積は、通常、特定の波長の光などの光に露光させると、重合するいくつかの成分を含む。好ましくは、造形容積は、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分を含む。代替に、またはさらに、造形容積は、第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分を含んでもよく、第二波長は第一波長とは異なってもよい。特定の実施形態では、第一及び第二感光性成分は同一の波長によって重合され得るが、そのような場合、これらの成分が同一の波長に対して異なる応答を有することが好ましい場合がある。例えば、それらは、第一または第二感光性成分の一方がより速い重合反応を有するように異なる吸光度を有してもよい。例えば、第一感光性成分の吸収極大が第二感光性成分の吸収極大と異なることが好ましい場合がある。
本開示のさらなる実施形態では、方法は、造形容積を照射するステップを含む。好ましくは、照射は、いくつかの投影に基づいている、いくつかのパターンの光で造形容積を照射することを含む。照射は、好ましくは、それぞれの対応する配向及び波長で実施される。これらの配向は、投影の角度と一致することが好ましい。これらの波長は、造形容積の感光性成分に基づいて選択される。通常、複数の感光性成分、例えば、傾斜物体の製造に使用されることができる感光性成分が使用される。複数の感光性成分の場合、物体の特定の造形物が第一感光性成分から形成され、この物体の他の造形物が第二感光性成分から形成されるように、配向及びエネルギー分布と組み合わせて波長が選択されることが好ましい。機械的性質などの異なる性質を有する材料へと重合する感光性成分を使用することにより、複雑な物体を迅速に形成することができる。本開示の一実施形態では、照射するステップは、造形容積などでは、第一波長を有する光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、第二波長を有する光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で造形容積を照射することを含む、または照射することからなる。好ましくは、この照射は、マルチマテリアル三次元物体が造形容積内で再現されるように構成される。
本開示の一実施形態では、再現されたマルチマテリアル三次元物体の各ポイントの機械的性質は、このポイントに蓄積した第一エネルギー分布と第二エネルギー分布との間の比率によって決定される。第一感光性成分が第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができるような、そして第二感光性成分が第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができるような、感光性成分の選択により、第一エネルギー分布と第二エネルギー分布との間の比率は、マルチマテリアル三次元物体の各ボクセルなど、マルチマテリアル三次元物体の各ポイントの機械的性質を決定することができる。本開示の一実施形態では、方法は、物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するステップと、造形容積を与えるステップと、いくつかのパターンの光で造形容積を照射するステップとを含み、照射するステップは、いくつかの投影を計算するステップ及び造形容積を与えるステップの後にある。したがって、本開示の一実施形態では、計算するステップは、いくつかの投影を計算するステップ、及び造形容積を与えるステップの後にある。特定の実施形態では、造形容積を与えるステップは、いくつかの投影を計算するステップの前にある。別の実施形態では、いくつかの投影を計算するステップは、造形容積を与えるステップの後にある。
本開示のさらなる実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、造形容積のいくつかのボクセルで再現され、計算するステップは、これらボクセルのそれぞれについて、第一波長を有する光と第二波長を有する光との間の比率を、これらの比率によるボクセルの照射時に各ボクセルの機械的性質が決定されるように決定することを含む。マルチマテリアル三次元物体の性質がこの物体のボクセルごとに定義されるため、ボクセルのサイズは、この方法の分解能であり得る。
本開示のさらなる実施形態では、第一投影及び第二投影の計算ステップは、マルチマテリアル三次元物体の機械的性質の分布によって定義される。例えば、この計算は、照射ステップと共に、投影に由来するパターンの光で造形容積を照射すると、マルチマテリアル三次元物体が再現されるように構成されてもよい。マルチマテリアル三次元物体の機械的性質、例えば剛性などの性質は、第一エネルギー分布と第二エネルギー分布との間の比率によって決定されることができる。第一及び第二エネルギー分布は、それぞれの配向及び波長で、いくつかのパターンの光によって造形容積を照射した結果として、照射ステップでは造形容積に蓄積され得る。
第一材料及び第二材料が異なる性質を有することが好ましい。例えば、第一材料及び第二材料は、完全に重合した場合などに異なる機械的性質を有し得る。ただし、第一材料及び第二材料は、代替及び／または追加の性質では異なってもよい。当業者には、１つまたは複数の性質、例えば１つの機械的性質が異なるポイント及び／またはボクセルをマルチマテリアル三次元物体が含むように、本開示の方法と組み合わせて使用されるのに適している異なる性質を有する感光性成分が知られている。したがって、本開示の特定の実施態様では、第一材料は第二材料よりも剛性が高く、剛性が高いマルチマテリアル三次元物体の対応するポイントでは、照射するステップは、第二波長を有する光に対して第一波長を有する光の線量をより高く蓄積することを含む。
本開示の一実施形態では、第一感光性成分は、エポキシモノマーと、第一波長を有する光による照射時に活性化される第一光重合開始剤とを含み、第二感光性成分は、アクリレートモノマーと、第二波長を有する光による照射時に活性化される第二光重合開始剤とを含む。
本開示の一実施形態では、照射するステップは、
光が第一波長を有している、第一投影によって定義される第一数のパターンの光で、投影システムによって造形容積を照射することと、
光が第二波長を有している、第二投影によって定義される第二数のパターンの光で、投影システムによって造形容積を照射することと、
を含む。
投影システムは、造形容積が第一数のパターンの光で投影ユニットによって照射され、同時に、及び／または順次に、造形容積が第二数のパターンの光で、同じ投影ユニットまたは別個の投影ユニットによって照射されるように構成される複数の投影ユニットのうちの単一のものを含んでもよい。投影システムは、例えば、光が第一波長を有している第一投影によって定義される第一数のパターンの光で造形容積を照射するための第一投影ユニットと、同時に、及び／または順次に、光が第二波長を有している第二投影によって定義される第二数のパターンの光で造形容積を照射するための第二投影ユニットとを含んでもよい。
本開示の一実施形態では、第一投影ユニット、第二投影ユニット、及び造形容積は平面内に位置しており、この平面に垂直であり、この造形容積の中心と交差する回転軸で造形容積は回転する。
本開示の一実施形態では、第一投影及び／または第二投影などの投影は、以下のリスト、すなわち、ラドン変換後に断層撮影再構成フィルタ、ファンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、及び／またはコーンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、のうちのいずれか１つを使用して計算される。
第一及び第二波長は、第一光または第二光による照射のみが第一感光性成分または第二感光性成分のうちの１つの重合を起こすように、十分にスペクトルで分けられた２つの異なる波長であることが好ましい。本開示の一実施形態では、第一波長及び第二波長の一方はＵＶ領域にあり、他方は可視領域にある。
本開示の一実施形態では、再現されたマルチマテリアル三次元物体は傾斜機能材料からなる。傾斜機能材料（ＦＧＭ）は、徐々に容積にわたる組成及び構造における変動によって特徴付けられ得、その変動の結果、材料の性質における対応する変化が起こることができる。
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、少なくとも２桁の大きさ、好ましくは少なくとも４桁の大きさ、より好ましくは少なくとも５桁の大きさ、さらにより好ましくは少なくとも６桁の大きさで異なるヤング率を有する、ボクセル及び／またはポイントなどの部分を含む。
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植などのための人工組織である。マルチマテリアル三次元物体は、組織工学の足場となり得る。本開示の一実施形態では、造形容積は細胞を含み、細胞は、造形容積の照射時に細胞がマルチマテリアル三次元物体に組み込まれるように配置される。本開示の一実施形態では、細胞は人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）であってもよい。
傾斜材料
本開示の一実施形態では、投影の計算は、マルチマテリアル三次元物体の機械的性質の分布によって少なくとも部分的に定義される。マルチマテリアル三次元物体は、傾斜機能材料を含んでもよく、または傾斜機能材料からなってもよく、例えば、傾斜機能材料から構成されてもよい。投影は、三次元物体の形状とこの物体の性質分布による組み合わせによって定義されてもよい。投影の計算は、例えば、三次元物体の複数の角度での投影を導出するように構成されることができ、投影は波長及び／またはエネルギー分布を含む。好ましくは、計算は、投影が造形容積上にそれぞれの配向で投影されると、マルチマテリアル三次元物体を製造するようなものである。投影の波長及びエネルギー分布は、それらにより、関係する配向で造形容積上に投影されると、機械的性質などの１つ以上の性質の所望の分布を有する物体が製造されるように選択されることが好ましい。これらの投影は、例えば、それぞれが特定のパターン及び特定の波長または特定の波長分布で実行されることができる。好ましくは、波長または波長分布は、造形容積の感光性成分、例えば、第一及び第二感光性成分にそれぞれ対応するように選択される。それらは、例えば、それぞれが各感光性成分の吸収極大であってもよく、またはそれを含んでもよい。
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体の特定の造形物の形成で使用する、重合する、または活性化する材料の計算は、機械的性質の分布など、物体の性質分布によって定義される。それにより、三次元物体の性質の分布は、通常、投影の計算にとって重要である。投影は、複数の波長または単一波長での二次元エネルギー分布を含んでもよく、またはそれらからなってもよいが、造形容積上にそれらのそれぞれの配向で投影されると、投影のエネルギー及び波長分布が造形容積内に三次元エネルギー及び波長分布をもたらすように構成されることが好ましい。造形容積は、好ましくは、三次元エネルギー及び波長分布を受光すると、マルチマテリアル三次元物体へと重合するように構成される。この物体が組成及び／または構造における変動を有する傾斜機能材料であることがさらに好ましい。
本開示の一実施形態では、各投影はエネルギー分布を含み、またはエネルギー分布からなり、投影のエネルギー分布の計算は、マルチマテリアル三次元物体の機械的性質の分布によって定義される。投影は、計算中に定義されるそれぞれの角度で、造形容積上に投影されると、三次元エネルギー及び／または波長分布をもたらす二次元エネルギー分布を含んでもよく、またはそれらからなってもよい。好ましくは、造形容積は、この三次元エネルギー及び／または波長分布がマルチマテリアル三次元物体の製造をもたらすように構成される。例えば、造形容積は、特定の、例えば異なる波長で、及び／または特定の、例えば異なるエネルギー閾値を上回った場合に、それぞれが重合する複数の感光性成分を含むことができる。
本開示の一実施形態では、完全に重合したときなどに、第一材料及び第二材料など、材料の機械的性質が異なる。それにより、マルチマテリアル三次元物体は、異なる性質を有する複数の材料を含むことができる。第一及び第二材料などの材料は、任意のタイプの性質、例えば、機械的、光学的、電気的、熱的、化学的、音響的、原子的、磁気的、及び／または放射線学的性質において異なり得る。それにより、マルチマテリアル三次元物体は、傾斜機能材料から構成されてもよく、そこでは、機械的、光学的、電気的、熱的、化学的、音響的、原子的、磁気的、及び／または放射線学的性質のいずれかがその容積にわたり変化する。
本開示の一実施形態では、造形容積には、照射ステップ中に、マルチマテリアル三次元物体の機械的性質の分布に基づいている、またはその分布に由来するエネルギー分布が与えられる。好ましくは、本開示は、物体の特定の配向でのいくつかの投影の計算と、その後、物体が造形容積で再現されるように造形容積上への複数の投影のうちの１つの投影とを含む。それにより、再現された物体は、初期物体と同一の性質を有することが好ましい。ここで、初期物体は、モデル、例えば三次元マルチマテリアル物体のモデルであると言える。好ましくは、モデルは、機械的性質の分布など、少なくとも１つの性質の形状及び分布に関する情報を含む。モデルの、特定の配向でのいくつかの投影を計算し、これらの投影を造形容積上に投影することによって、モデルが再現されることが好ましい。再現された物体がモデルに対して修正されてもよく、例えば均一または不均一にスケーリングされてもよいことに留意されたい。
本開示の一実施形態では、エネルギー分布は波長ごとに異なる。計算された投影のそれぞれが二次元パターンを含む、または二次元パターンからなることが好ましい。その後、各投影の計算されたそれぞれの配向で造形容積上に二次元パターンを投影することにより、造形容積内で三次元エネルギー分布をレンダリングすることが好ましい。これらの投影を投影するステップは、単一波長で投影することによって、逐次投影ごとに感光性成分のうちの１つだけ、または数個だけを活性化する、または重合するように実行され得る。また、複数の波長の投影での逐次投影ごとに感光性成分のうちの１つだけ、または数個だけを活性化してもよく、または重合してもよいことに留意されたい。そのような場合、複数の波長は、好ましくは、感光性成分のうちの１つだけ、または数個だけを活性化しかしない、または重合しかしないように選択される。これらの場合のいずれにおいても、感光性成分のうちの１つだけまたは数個だけが１つまたは複数の波長によって活性化され、または重合され、これらの投影は、複数の投影シーケンス、すなわち、複数のシーケンスの二次元パターンを含むことができ、これら複数の投影シーケンスは、計算ステップ中に計算されたように、それらのそれぞれの配向で造形容積上に投影されると、感光性成分の１つまたは実質的に１つだけの活性化及び／または光重合を起こすことにより、三次元マルチマテリアル物体の第一造形物の形成につながる。第二などの追加の投影シーケンス、すなわち、二次元パターンによって造形容積を投影することにより、第二などの追加の感光性成分が活性化され得る、及び／または光重合され得ることで、三次元マルチマテリアル物体の第二などの追加の造形物を形成することができ、三次元マルチマテリアル物体の第二などの追加の造形物は、第一造形物とは異なる性質を有する。
本開示の好ましい実施形態では、計算された投影は、少なくとも第一投影シーケンス、及び第二投影シーケンスを含む。各投影シーケンスが、各対応する配向で各投影を造形容積上に投影すると、第一造形物または第二造形物など、三次元マルチマテリアル物体の造形物を製造するように構成されることが好ましい。三次元マルチマテリアル物体のこれらの造形物がそれぞれ機械的性質などの異なる性質を有することがさらに好ましい。各投影シーケンスが感光性成分のうちの１つだけに特有の１つまたは複数の波長で投影されることがさらに好ましく、これら１つまたは複数の波長は、モデルの対応する造形物の１つの性質／複数の性質を再現するなどのために、機械的性質などの所望の性質を有する三次元マルチマテリアル物体の造形物を形成するように選択されることが好ましい。
本開示の一実施形態では、第一材料及び第二材料で形成されるマルチマテリアル三次元物体の造形物の少なくとも一部が重なる。その結果、造形容積上での１つ以上の投影シーケンスのうちのこの投影に続き、そこでは各投影シーケンスが１つ以上の感光性成分に特有の波長分布を有することができるため、波長分布ごとに得られる三次元エネルギー分布は重なり得る。好ましくは、各波長分布は、単一の感光性成分のみを、もしくはそれを主として活性化する、またはその光重合を起こすように選択される。この投影シーケンスの各投影は、好ましくは、それぞれが１つの感光性成分に特有の波長分布など、特定の波長分布によって造形容積上に投影される。好ましくは、投影シーケンスのそれぞれが特定の波長分布で投影される、投影シーケンスのそれぞれの投影は、波長分布ごとに三次元エネルギー分布をもたらすように実行される。本開示の特定の実施形態では、少なくとも２つの波長分布の三次元エネルギー分布が少なくとも部分的に重なる。それにより、再現されたマルチマテリアル三次元物体は、第一材料、第二材料、及び／またはいくつかのさらなる材料などの複数の材料を含む、またはそれらからなる造形物を含むことができる。
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、傾斜機能材料などの傾斜材料から構成される。傾斜機能材料（ＦＧＭ）は多機能材料であり、機械的、熱的、構造的、及び／または機能的性質などの性質における変動を制御するという特定の目的のために、組成及び／または微細構造における空間的変動を含む。ＦＧＭは、徐々に容積にわたる組成及び構造における変動によって特徴付けられ得、その変動の結果、材料の性質における対応する変化が起こり得る。これらの材料は、特定の機能及び用途向けに設計されることができる。
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、少なくとも１桁の大きさ、好ましくは少なくとも２桁の大きさ、さらに好ましくは少なくとも３桁の大きさで異なるヤング率を有する部分を含む。本開示の実施形態による利点は、大きな間隔で変動する機械的性質などの性質を有する物体を再現するその能力である。これは、自然界、例えば軟組織及び硬組織を有する脊椎動物の場合によくある。これにより、本開示の方法を使用して、複雑な物体を正確に再現することができる。
本開示の一実施形態では、計算するステップは、少なくとも１つのさらなる材料で形成される物体の少なくとも１つのさらなる造形物を記述する少なくとも１つのさらなる投影を計算することをさらに含む。本明細書の他の箇所で開示されるように、第一造形物、第二造形物、及び／または任意のさらなる造形物など、物体の任意の造形物は、部分的または完全に重なり得る。それにより、物体の造形物は複数の材料を含むことができる。本開示の特定の実施形態では、造形容積上への投影シーケンスのそれぞれの投影の結果である、波長分布ごとの三次元エネルギー分布により、この三次元エネルギー分布の各位置／ボクセルでのエネルギーに対応する活性化及び／または光重合の程度がもたらされる。その結果、再現された物体の性質は、各ボクセルでのエネルギー分布及び波長分布の結果、すなわち、三次元分布であり得、結果として得られる性質は、各ボクセルでのエネルギーが閾値エネルギーを上回るか、下回るかだけに依存しないが、各ボクセルの性質は、エネルギーに対する連続した応答によって決定される。
本開示の一実施形態では、造形容積は、少なくとも１つのさらなる材料へと重合することができる少なくとも１つのさらなる感光性成分をさらに含む。原則として、再現されるマルチマテリアル三次元物体の材料数に制限はない。本開示の一実施形態では、造形容積は、単一波長または複数の波長などの異なる波長分布によって活性化される及び／または重合されるなど、異なる波長分布にそれぞれが応答性である複数の感光性成分を含む。いくつかの投影シーケンスは、各シーケンスが三次元マルチマテリアル物体またはモデルの、特定の配向でのいくつかの投影を含むように計算されることがさらに好ましい。この投影シーケンスの造形容積上への投影時に、造形容積内のエネルギー分布は、波長分布ごとに生成され、その結果、特定の感光性成分を活性化する、及び／または重合するために生成される。再現された三次元マルチマテリアル物体の性質が三次元マルチマテリアル物体／モデルに対応するように特定の感光性成分を選択することが好ましい。それにより、造形容積のボクセルごとに、投影及びこの投影の投影は、三次元マルチマテリアル物体／モデルの性質を有する再現された三次元マルチマテリアル物体のボクセルをレンダリングする波長分布ごとのエネルギー分布が特定の感光性成分を活性化する、及び／または重合するように構成される。
感光性成分
本開示の一実施形態では、感光性成分のそれぞれは、モノマーなどのプレポリマーと、光増感剤、光重合開始剤、またはそれらの混合物などの光活性化剤とを含む。好ましくは、感光性成分は、光の照射によって活性化されるように構成され、この活性化により、プレポリマーの重合が起こる。活性化は、通常、光活性化剤の活性化によって起こり、通常、触媒作用によってプレポリマーの重合が起こる。一般に、光活性化剤は、特定の波長範囲／波長分布内で活性化しやすい。本開示の一実施形態では、第一波長及び第二波長の少なくとも１つは、第一光応答性成分及び第二光応答性成分の両方を活性化する及び／または重合することができる。ただし、第一波長及び第二波長の少なくとも１つ、例えば両方は、第一光応答性成分及び第二光応答性成分の両方を活性化する及び／または重合することができないことが好ましい。本開示の特定の実施形態では、第一光応答性成分及び第二光応答性成分は、別々の波長で活性化される。
光重合開始が効率的に進行するには、光重合開始剤の吸収帯域が光源の発光スペクトルと、つまり、その特定の感光性成分の重合に使用される波長分布と重なる必要があり、好ましくは、光重合開始剤の励起に対応する波長で製剤の成分によって競合する吸収が最小になる必要がある。
本開示の一実施形態では、各感光性成分は、異なる種類の光活性化剤及び／またはプレポリマーを含む。各感光性成分が少なくとも異なる種類の光活性化剤、例えば、異なる波長分布で活性化される光活性化剤を含むことが好ましい。それにより、投影された投影の波長分布を変更し、その結果として得られる三次元エネルギー分布の波長分布を変更することにより、特定の光活性化剤を活性化することができる。各感光性成分が異なるプレポリマーを含むことがさらに好ましい。それにより、特定の感光性成分に対応する適切な波長分布を選択することにより、物体の三次元造形物を特定の材料で製造することができる。異なる感光性成分のプレポリマーは、例えば、重合後に得られるポリマー材料が異なる機械的性質を有するように構成されることができる。
本開示の一実施形態では、光重合開始剤は、フリーラジカル系光重合開始剤、カチオン系光重合開始剤、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される。光重合開始剤は、光に感受性がある分子である。光を吸収すると、それらは光化学的開裂を起こして、製剤中の活性成分と相互作用する反応性種（フリーラジカル類かブレンステッドまたはルイス酸かいずれか）を生成する。タイプＩ及びタイプＩＩという２クラスの光重合開始剤があり、タイプＩの光重合開始剤は、光の吸収後に単分子結合開裂を起こして反応性種を与えるものである。これらの光重合開始剤が機能するために、他の種は必要ない。タイプＩＩの光重合開始剤は、二分子反応を起こす。光の吸収後、光重合開始剤は励起状態に達し、そこから別の分子（共開始剤または相乗剤）と反応して反応性種を生成する。光増感剤は、光化学プロセス中に別の分子に化学変化を起こす分子である。
本開示の一実施形態では、プレポリマーは、アクリレート系モノマー、エポキシ系モノマー、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される。
本開示の一実施形態では、第一波長及び第二波長などの照射波長は、異なる波長である。これらの照射波長は、それぞれが単一波、または波長帯域もしくは複数の別個の波長などの複数の波長からなる波長分布を含んでもよく、または波長分布からなってもよい。それにより、第一波長、第二波長、及び／または任意のさらなる波長のいずれかは、１つもしくは複数の波長帯域などの複数の波長、または複数の単一波長を含むことができ、ここでは、第一波長、第二波長及び／または任意のさらなる波長のいずれかは、部分的に重なる場合がある。
本開示の特定の一実施形態では、特定の投影シーケンスの投影に使用される照射波長のいずれかは、別の投影シーケンスの投影に使用される照射波長と重なり得る。ただし、重なる吸収極大、及び／または実質的に重なる吸収スペクトルを異なる感光性成分が有しないことが好ましい場合がある。その結果、本開示の一実施形態では、第一感光性成分及び第二感光性成分などの異なる感光性成分は、実質的に重ならない吸収スペクトルを有する。
投影
本開示の一実施形態では、これらの投影は、以下の投影アルゴリズム、すなわち、ラドン変換、ファンビームアルゴリズム、コーンビームアルゴリズム、断層撮影再構成フィルタ、逐次近似再構成技法、代数的再構成技法、及び／または回折断層撮影アルゴリズム、またはそれらの組み合わせ、のうちのいずれか１つを少なくとも部分的に使用して計算される。
その結果、計算は、ラドン変換後の断層撮影再構成フィルタ、ファンビームアルゴリズム後の断層撮影再構成フィルタ、コーンビームアルゴリズム後の断層撮影再構成フィルタ、逐次近似再構成技法、代数的再構成技法、もしくは回折断層撮影アルゴリズム、またはそれらの組み合わせの適用を含み得る。本開示の一実施形態では、投影は、少なくとも１つの投影アルゴリズムをコンピュータベースのモデルに適用することによって得られる。したがって、この方法は、コンピュータベースのモデルの再現であるマルチマテリアル三次元物体を製造するための方法とみなされることができる。本開示の一実施形態では、方法は、コンピュータ実装方法またはプロセッサ実装方法である。
本開示の一実施形態では、造形容積は、第一及び第二波長の照射が同時に完了するように、それぞれの波長の間隔及び／または光強度で照射される。これにより、通常、マルチマテリアル三次元物体の再現での精度が高くなることが確保される。例えば、これらの波長の１つが第一及び第二感光性成分の両方を活性化する場合、照射は、第一波長及び第二波長の両方の照射が同時に停止されるように配置されることが好ましい。このようにして、単一波長（第一及び第二光重合開始剤の両方を活性化するもの）の連続照射の結果としての光の混入、すなわち、望ましくない重合を最小にすることができる。
本開示の一実施形態では、第一波長を有する光による造形容積の照射の完了は、第二波長を有する光と同じ時点で完了する。これを達成するために、それぞれの波長の照射を開始する時点及び／またはそれぞれの波長の強度は、第一及び第二波長の照射が同時点で終了するように調整されている。
本開示の好ましい実施形態では、造形容積は、第一波長を有する光及び第二波長を有する光で同時に照射される。
サイノグラム計算
本開示の好ましい実施形態では、この方法は、重合した第一及び／または第二材料を一定間隔で測定することを含み、これらの測定値は、後続のパターンの光を補正するためのフィードバックとして使用され、再現されたマルチマテリアル三次元物体の精度を向上させる。
相対角度
造形容積及び投影ユニットのうちの少なくとも１つの配向及び／または位置が、投影中に変更されることが好ましい。例えば、投影ユニットは、造形容積が静止している間、造形容積の、水平方向の中心などの中心の方に投影が常に向けられた状態で、造形容積を中心に回転することができる。あるいは、造形容積は、通常、投影面に垂直な回転軸で回転することができる。当業者に知られているように、三次元マルチマテリアル物体を再構築するために、造形容積及び投影ユニットの位置決め及び／または配向のいくつかのコンフィグレーションが可能である。さらに、複数の投影ユニットを使用することができ、投影ユニットは別々の位置に位置決めされることができ、例えば、各投影ユニットは各投影の対応する位置に位置決めされることができる。それにより、本開示の特定の実施形態では、投影ユニット及び造形容積は静止しているが、いくつかの投影ユニットは、計算中に定義されるような、再構築される三次元物体の投影の対応する角度に位置決めされる。
前述のように、投影ユニット及び造形容積の複数のコンフィグレーションが可能である。本開示の一実施形態では、これらのパターンの光は、第一パターンの光を投影している第一投影ユニットと、第二パターンの光を投影している第二投影ユニットとによって生成され、第一投影ユニットは、第二投影ユニットに対して実質的に垂直な光を投影する。本開示の特定の実施形態では、造形容積は、この造形容積の中心と交差する垂直回転軸を中心に回転している。本開示のさらなる実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に平行なこれらのパターンの光を投影している投影ユニットによって生成される。本開示のさらなる実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に垂直なこれらのパターンの光を投影している投影ユニットによって生成される。本開示のさらに別の実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に垂直な第一パターンの光を投影している第一投影ユニットと、造形容積の回転面に対して実質的に平行な第二パターンの光を投影している第二投影ユニットとによって生成される。本開示の一実施形態では、造形容積を中心に回転しており、これらのパターンの光を造形容積の方に投影している投影ユニットによって、これらのパターンの光は生成される。
後処理
本開示の一実施形態では、方法は、造形容積の未硬化造形物を除去するステップをさらに含む。除去ステップは、好ましくは、造形容積の照射ステップの直後など、造形容積の照射ステップの後である。本開示の一実施形態では、この方法は、残存するプレポリマー及び光重合開始剤を除去して材料を生細胞と適合させるためなどの溶剤の交換ステップをさらに含む。本開示の一実施形態では、溶剤の交換は、マルチマテリアル三次元物体をエタノールまたはイソプロパノール中に、２日間など浸漬させた後、水中に、例えば２日間水を２回交換してなど、浸漬させることを含む。
用途
本開示の一実施形態では、マルチマテリアル三次元物体は、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植などのための人工組織である。
本開示の一実施形態では、造形容積は、未分化幹細胞、例えばｉＰＳ細胞などの細胞を含む。
本開示の一実施形態では、これらのパターンは、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つによって生成される、及び／または照射される。本開示の特定の実施形態では、パターンは、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＥＤプロジェクタ、ＬＣＤプロジェクタ、及び／またはレーザプロジェクタによって生成される、及び／または照射される。一般に、フォトマスクを使用しないなど、マスクレスプロセス中にパターンが造形容積上に照射されることが好ましい。
システム
第二態様では、本開示は、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムに関し、このシステムは、好ましくは、物体の異なる配向角から形成される、マルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するための処理ユニットを含む。好ましくは、これらの投影は、第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影と、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影とを含む。任意のさらなる材料で形成される第一造形物、第二造形物、及び／または任意のさらなる造形物が好ましくは少なくとも部分的に重なることに留意されたい。
本開示のさらなる実施形態では、システムは、少なくとも１つの投影ユニットを有する投影システムを含む。投影システムは、複数の感光性成分を活性化するように構成されることが好ましく、その後、各感光性成分を活性化するように構成されることが好ましい。投影システムが、感光性成分のうちの少なくとも１つの活性化波長に対応する波長で、制御された空間パターンの光を発するように構成されることがさらに好ましい。本開示の特定の実施形態では、投影ユニットは、制御された空間パターンの光を複数の波長で発するように構成される。計算された投影によって定義されるように、制御された空間パターンの光を投影システムが発するように構成されることが好ましい。
投影システムは、造形容積が第一数のパターンの光で投影ユニットによって照射され、同時に、及び／または順次に、造形容積が第二数のパターンの光で、同じ投影ユニットまたは別個の投影ユニットによって照射されるように構成される複数の投影ユニットのうちの単一のものを含んでもよい。投影システムは、例えば、光が第一波長を有している第一投影によって定義される第一数のパターンの光で造形容積を照射するための第一投影ユニットと、同時に、及び／または順次に、光が第二波長を有している第二投影によって定義される第二数のパターンの光で造形容積を照射するための第二投影ユニットとを含んでもよい。
本開示の一実施形態では、造形容積は、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分を含む。本開示のさらなる実施形態では、造形容積は、感光性材料の第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分を含む。本開示のさらに別の実施形態では、造形容積は、感光性材料の任意の数のさらなる波長を有する光による照射時に、それぞれがそれぞれの任意の数のさらなる材料へと重合することができる、任意の数のさらなる感光性成分を含む。本明細書の他の箇所で開示されるように、第一材料、第二材料、及び／または任意のさらなる材料が任意のタイプの性質で異なることが好ましい。再構築された三次元マルチマテリアル物体のボクセルなどの造形物の性質がそのボクセルで重合された材料に依存し得、さらなるこれらの性質がそのボクセルが受けるエネルギー分布に依存し得、例えば、例示されたボクセルなどの結果として得られる性質が、閾値エネルギーを上回るまたは下回ることに依存し得るだけでなく、エネルギーに対する連続応答であってもよく、またはある閾値エネルギーを上回る連続応答であってもよいことにさらに留意されたい。
本開示のさらなる実施形態では、システムは方向調整ユニットを含む。好ましくは、方向調整ユニットは、造形容積に対するこれらのパターンの光の入射方向を制御可能に変動させるように構成される。方向調整ユニットは、造形容積及び／または投影システムを回転させることができる。好ましくは、この回転は、照射ステップ中に、これらのパターンの光が複数の角度で造形容積上に投影されるように構成される。方向調整ユニットは、ミラー及び／またはレンズの運動をさらに含むことができ、投影ユニットの照明源及び造形容積が適所に固定され、回転しないが、この方向調整ユニットは、処理ユニットによる計算ステップで定義されるような、いくつかのパターンの光が対応する角度及び対応する波長で造形容積上に投影されるように構成されたいくつかのレンズを含むことができる。
本開示のさらに別の実施形態では、システムはコントローラを含む。好ましくは、このコントローラは、方向調整ユニット及び／または投影ユニットを制御するように構成される。異なる配向角に対応する方向から、特定の波長で制御されたパターンの光によって造形容積が照射されるように、投影ユニット及び方向調整ユニットを制御するようにコントローラが構成されることがさらに好ましい。コントローラはコンピュータであってもよく、このコンピュータは処理ユニットをさらに含んでもよい。
本開示のさらなる実施形態では、システムは、本明細書の他の箇所に開示されるように、マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法を実行するように構成される。本開示の一実施形態では、方法は、コンピュータ実装方法またはプロセッサ実装方法である。
本開示の一実施形態では、システムは、造形容積を収容するための容器などのレセプタクルを含み、この容器は、これらのパターンの光に対して光学的に透過性である。レセプタクルは円筒形であることが好ましいが、多面形状を有してもよい。例えば、レセプタクルは、五角形または十角形などの垂直方向に突出した多角形であってもよい。それらのような場合、システムは、多面レセプタクルの各面に位置決めされた１つの投影ユニットを備えることができる。
本開示の一実施形態では、処理ユニットは、機械的性質の分布など、マルチマテリアル三次元物体の性質分布に基づいて投影を計算するように構成される。
本開示のさらなる実施形態では、処理ユニットは、機械的性質など、物体の性質分布に基づいて、マルチマテリアル三次元物体の特定の造形物の形成に使用する材料を計算するように構成される。
本開示の一実施形態では、投影はエネルギー分布を含み、またはエネルギー分布からなり、処理ユニットは、機械的性質の分布など、マルチマテリアル三次元物体の性質分布に基づいて投影のエネルギー分布を計算するように構成される。
本開示の一実施形態では、これらの投影は、二次元エネルギー分布を含む、またはそれらからなる。本開示のさらなる実施形態では、処理ユニットは、投影、使用する材料、各パターンの光を造形容積上に投影するために使用する波長、及び／または対応する配向角を計算するように構成される。本開示のさらなる実施形態では、処理ユニットは、コントローラを制御するように構成される。
本開示の一実施形態では、造形容積は、少なくとも１つのさらなる材料へと重合することができる少なくとも１つのさらなる感光性成分をさらに含む。原則として、再現されるマルチマテリアル三次元物体の材料数に制限はない。本開示の一実施形態では、造形容積は、単一波長または複数の波長などの異なる波長分布によって活性化される及び／または重合されるなど、異なる波長分布にそれぞれが応答性である複数の感光性成分を含む。いくつかの投影シーケンスは、各シーケンスが三次元マルチマテリアル物体またはモデルの、特定の配向でのいくつかの投影を含むように計算されることがさらに好ましい。この投影シーケンスの造形容積上への投影時に、造形容積内のエネルギー分布は、波長分布ごとに生成され、その結果、特定の感光性成分を活性化する、及び／または重合するために生成される。再現された三次元マルチマテリアル物体の性質が三次元マルチマテリアル物体／モデルに対応するように特定の感光性成分を選択することが好ましい。それにより、造形容積のボクセルごとに、投影及びこの投影の投影は、三次元マルチマテリアル物体／モデルの性質を有する再現された三次元マルチマテリアル物体のボクセルをレンダリングする波長分布ごとのエネルギー分布が特定の感光性成分を活性化する、及び／または重合するように構成される。
本開示のさらなる実施形態では、方法は、造形容積を与えることを含む。この造形容積は、通常、特定の波長の光などの光に露光させると、物体へと重合するいくつかの成分を含む。好ましくは、造形容積は、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分を含む。代替に、またはさらに、造形容積は、第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分を含んでもよく、第二波長は第一波長とは異なってもよい。ただし、第一及び第二感光性成分が同一の波長によって重合され得るが、そのような場合、それらがこの同一の波長に異なる応答を有することが好ましいことに留意されたい。例えば、それらは、第一または第二感光性成分の一方がより速い重合反応を有するように異なる吸光度を有してもよい。例えば、第一感光性成分の吸収極大が第二感光性成分の吸収極大と異なることが好ましい場合がある。
本開示のさらなる実施形態では、システムは、少なくとも２つの感光性成分を含む造形容積を有し、これら少なくとも２つの感光性成分は、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分と、感光性材料の第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分とを含む。本開示のさらなる実施形態では、造形容積は、いくつかのさらなる感光性成分を含み、それぞれは、いくつかのさらなる波長を有する光による照射時に、いくつかのさらなる材料でそれぞれ重合することができる。
本開示の一実施形態では、投影ユニットは、造形容積を異なる波長の光で照射するように構成される。投影ユニットは、波長または波長帯域などの波長分布内でいくつかの第一投影を投影してから、別の波長分布でいくつかの第二投影を投影するように構成され得る。通常、第一投影は、対応する配向で、第一感光性成分の活性化に続いて、三次元マルチマテリアル物体の第一造形物に第一材料を形成するように構成され、第二投影は、対応する配向で、第一感光性成分の活性化に続いて、三次元マルチマテリアル物体の第二造形物に第二材料を形成するように構成される。
本開示の一実施形態では、システムは、（第一）投影ユニットからのパターンの光に垂直な角度から少なくとも１つのパターンの光で造形容積をさらに照射するように構成される第二投影ユニットを備える。
本開示の一実施形態では、投影ユニットは、複数の波長分布を順次放出するように構成される。本開示の特定の実施形態では、投影ユニットは、異なる波長分布を有する複数の光源、及び／または波長フィルタリングのために、例えば、第一波長または第二波長などの所望の波長を選択するために構成されたフィルタユニットと結合された単一光源など、複数の分離された波長を生成するように配置された単一光源を備える。光源（複数可）は、例えば、１つまたは複数のＬＥＤ及び／またはレーザであってもよい。
本開示の一実施形態では、この投影ユニットは、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つを含む。本開示の特定の実施形態では、投影ユニットは、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＥＤプロジェクタ、ＬＣＤプロジェクタ、及び／またはレーザプロジェクタである。一般に、マスクレスプロセス中に、すなわち、フォトマスクを使用することなく、パターンが造形容積上に照射されることが好ましい。
一般に、好ましくは同時に、いくつかのパターンの光を形成するように投影ユニットが配置され、これらのパターンが、第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積する第一波長を有する光と、第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積する第二波長を有する光とを含むことが好ましい。投影ユニットは、これらのパターンの光で造形容積を同時に照射するように配置されることが好ましく、したがって、フォトマスク及び／またはフィルタの使用によるパターンの形成に依存しないことが好ましい。
投影によって定義されるようないくつかのパターンの光で造形容積を照射することにより、異なる波長の別々のエネルギー分布が得られると、第一材料及び第二材料の両方を含む、ボクセルなど、傾斜材料及び／または造形物を含む物体の形成が可能になる。
本開示の好ましい実施形態では、第一波長を有する光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、第二波長を有する光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するようなそれぞれの対応する配向及び波長で、投影によって定義されるようないくつかのパターンの光で造形容積を同時に照射する。好ましくは、この方法は、第二波長を有する光と同時に第一波長を有する光で造形容積を照射することを含む。好ましくは、造形容積は、これらの第一及び第二波長に別々に応答性である複数の感光性成分を含む。
本開示の一実施形態では、光源は、ハロゲン電球などの１つもしくは複数の白熱電球、またはレーザ、ＬＥＤ、もしくは放電ランプなどの１つもしくは複数の蛍光ランプを含む。
造形容積及び投影ユニットのうちの少なくとも１つの配向及び／または位置が、投影中に変更されることが好ましい。例えば、投影ユニットは、造形容積が静止している間、造形容積の、水平方向の中心などの中心の方に投影が常に向けられた状態で、造形容積を中心に回転することができる。あるいは、造形容積は、通常、投影面に垂直な回転軸で回転することができる。当業者に知られているように、三次元マルチマテリアル物体を再構築するために、造形容積及び投影ユニットの位置決め及び／または配向のいくつかのコンフィグレーションが可能である。さらに、複数の投影ユニットを使用することができ、投影ユニットは別々の位置に位置決めされることができ、例えば、各投影ユニットは各投影の対応する位置に位置決めされることができる。それにより、本開示の特定の実施形態では、投影ユニット及び造形容積は静止しているが、いくつかの投影ユニットは、計算中に定義されるような、再構築される三次元物体の投影の対応する角度に位置決めされる。
前述のように、投影ユニット及び造形容積の複数のコンフィグレーションが可能である。本開示の特定の実施形態では、造形容積は、この造形容積の中心と交差する垂直回転軸を中心に回転している。本開示のさらなる実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に平行なこれらのパターンの光を投影している投影ユニットによって生成される。本開示のさらなる実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に垂直なこれらのパターンの光を投影している投影ユニットによって生成される。本開示のさらに別の実施形態では、これらのパターンの光は、造形容積の回転面に対して実質的に垂直な第一パターンの光を投影している第一投影ユニットと、造形容積の回転面に対して実質的に平行な第二パターンの光を投影している第二投影ユニットとによって生成される。本開示の一実施形態では、造形容積を中心に回転しており、これらのパターンの光を造形容積の方に投影している投影ユニットによって、これらのパターンの光は生成される。
本開示の好ましい実施形態では、これらのパターンの光は、第一パターンの光を投影している第一投影ユニットと、第二パターンの光を投影している第二投影ユニットとによって生成され、第一投影ユニットは、第二投影ユニットに対して実質的に垂直な光を投影する。
本開示の一実施形態では、方向調整ユニットは、投影ユニットが常に造形容積に向けられている間などに、第一投影ユニットの照明領域内で造形容積を回転させるように、及び／または造形容積を中心に第一投影ユニットを回転させるようにいずれでも構成される。
本開示の一実施形態では、システムは、造形容積が第一波長分布で第一シーケンスの空間光パターンによって照明され、並行してまたはその後、マルチマテリアル三次元物体が形成されるまで、造形容積が第二波長で第二シーケンスの空間光パターンによって照明されるように構成される。
本開示の別の実施形態では、システムは、造形容積が第一波長分布で第一シーケンスの空間光パターンによって照明され、並行してまたはその後、造形容積が第二波長で第二シーケンスの空間光パターンによって照明され、並行してまたはその後、マルチマテリアル三次元物体が形成されるまで、造形容積が、それぞれが任意の数のさらなる波長でそれぞれ照明される、任意の数のさらなるシーケンスの空間光パターンによって照明されるように構成される。
図面の詳細な説明
以下、本発明について、添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。図面は例示であり、マルチマテリアル三次元物体を製造するための本開示の方法及びシステムの特徴のいくつかを示すことを意図しており、本開示の発明を限定するものと解釈されるべきではない。
図１は、本開示の特定の実施形態による、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するための断層撮影液槽光重合システム（１）を示す。図１Ａは、造形容積がレセプタクル（２）によって収容されているシステムを示す。例示的なシステムは、２つの投影ユニット、すなわち、第一投影ユニット及び第二投影ユニットを有する投影システムを含む。第一投影ユニットは可視光ＤＬＰプロジェクタ（３）であり、第二投影ユニットは紫外光ＤＬＰプロジェクタ（４）である。投影システムの投影ユニットは両方とも、適所に固定され、造形容積の少なくとも造形物を照明するように配向される。示されるように、システムは、プロジェクタとレセプタクルとの間にレンズなどの光学系（５）を備えることができる。レセプタクルは、適所に固定されている間、本明細書では回転台として例示されている、方向調整ユニット（５）から吊設される。これにより、造形容積は回転することができ、プロジェクタユニットは、それらのそれぞれの対応する配向及び波長でいくつかのパターンの光を照射する。図１Ｂは、同一のシステムを代わりの角度から示す。
図２は、マルチマテリアル三次元物体を製造するために使用されることができる例示的なモノマー類、すなわち、ｉ．ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）、ｉｉ．３，４－エポキシシクロヘキシルメチル３，４－エポキシ－シクロヘキサンカルボキシレート（ＥＥＣ）の構造式を示す。異なるモノマーは、機械的性質などの異なる性質を有する材料の重合を起こし得る。通常、ＰＥＧＤＡ系モノマーに基づいた材料は、ＥＥＣに基づいた材料よりも柔らかい。ＰＥＧＤＡは、可視範囲内の特定の波長で活性化する光重合開始剤と共に使用されることができ、ＥＥＣは、ＵＶ範囲内の特定の波長で活性化する光重合開始剤と共に使用されることができる。それにより、システムは、ＥＥＣ及びＰＥＧＤＡに関連する光重合開始剤ごとに、特定の三次元エネルギー分布を生成するように構成され得る。ボクセルごとの相対光強度を定義するために、２つの分布を同じ幾何学的形状上に重ねることができる。
図３は、本開示の特定の実施形態による、マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法を概説するフローチャートを示す。この方法は、いくつかの投影（３１）を計算することを含むことができ、これらの投影は、第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影を含み、物体の異なる配向角から形成されるマルチマテリアル三次元物体を記述する。通常、第一投影を含む第一投影シーケンス、及び第二投影を含む第二投影シーケンスなど、いくつかの投影シーケンスが計算される。この方法は、造形容積（３２）を与えることをさらに含む。造形容積は、通常、第一波長を有する光による照射時に第一材料へと重合することができる第一感光性成分と、第二波長を有する光による照射時に第二材料へと重合することができる第二感光性成分とを含む。この方法は、これらの投影に基づいて、それぞれの対応する配向及び波長でのいくつかのパターンの光で照射することにより、マルチマテリアル三次元物体を物理的に再現すること（３３）をさらに含むことができる。
図４は、本開示の特定の実施形態による、造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムの構成要素間の通信のフローチャートを示す。処理ユニット（４１）を使用して、マルチマテリアル三次元物体の異なる配向角から形成されるこのマルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算することができる。これらの配向角は、第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影と、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影とを含み得る。第一投影及び第二投影はコントローラ（４２）に通信される。コントローラは、例えば、処理ユニットとは異なるコンピュータか同じコンピュータかいずれかのコンピュータであってもよい。コントローラは、方向調整ユニット（４３）と、少なくとも１つの投影ユニットを含む投影システム（４４）とに接続されている。方向調整ユニットは、造形容積に対するこれらのパターンの光の入射方向を制御可能に変動させるように構成される。少なくとも１つの投影ユニットは、制御された空間パターンの光を複数の波長で発するように構成され、これら制御された空間パターンは投影に由来する。コントローラは、異なる配向角に対応する方向から、特定の波長で制御されたパターンの光によって造形容積が照射されるように、方向調整ユニット及び少なくとも１つの投影ユニットを制御するように構成される。
図５は、例示的なマルチマテリアル三次元物体の図解を示す。物体は、等方性の機械的性質を有するベビーヨーダフィギュア（５１）、ヤング率が低い脳（５２）、ヤング率が中程度の心臓（５３）、ヤング率が高いライトセーバー（５３）を含む。それにより、マルチマテリアル三次元物体は、本明細書では機械的性質として例示される複数の性質を有する。最終物体を再現するために、フィギュア、脳、心臓及びライトセーバーは、様々な機械的性質、例えば、様々な程度の剛性を有する連続した固体物体に統合される。
図６は、図５に示されるマルチマテリアル三次元物体の投影を示す。図６Ａは、第一材料で形成される物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影を示し、図６Ｂは、第二材料で形成される物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影を示す。この例では、各第一投影は、第二投影間で同等の配向角を有し、例えば、図６Ａ（ａ）は図６Ｂ（ａ）に対応し、図６Ａ（ｂ）は図６Ｂ（ｂ）に対応し、以下同様である。各画像のグレー値は、造形容積上に投影された光の強度を表す。それにより、光の投影／パターンごとの、光が同じ時間投影される場合、各配向での波長ごとの線量間の比率がわかる。第一投影は、本明細書ではＵＶ光として例示される第一波長分布で、対応する数のパターンの光をそれぞれの対応する配向で照射するために使用される。同様に、第二投影は、本明細書では可視光として例示される第二波長分布で、対応する数のパターンの光をそれぞれの対応する配向で照射するために使用される。この例では、造形容積は２つの異なる感光性成分を含む。第一感光性のものは、３，４－エポキシシクロヘキシルメチル３，４－エポキシ－シクロヘキサンカルボキシレート（ＥＥＣ）、及びＵＶ光による照射時に活性化される光重合開始剤、例えば、３６５ｎｍの照明を使用して活性化されるトリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモン酸塩類（ＣＡＴ２）に基づいた光カチオン重合開始剤を含むものとして例示される。第二感光性成分は、ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）と、４５０ｎｍの照明を使用して活性化される光ラジカル重合開始剤カンファーキノンなど、可視光で照射されると活性化される光重合開始剤とを含むものとして例示される。照明光は、第一及び第二波長の選択性を高めるために、各波長が１つの感光性成分のみを活性化するように、または１つの波長だけが両方の感光性成分を活性化することができるように、例えば、ローパス、バンドパス、またはハイパスフィルタなどで、フィルタリングされることができる。各波長、例えば第一または第二波長のような、各数のパターンの光による照明時に、１つの感光性成分のみが活性化されることが好ましい。
項目
１．マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法であって、
前記物体の異なる配向角から形成される前記マルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算することであって、前記いくつかの投影は、
第一材料で形成される前記物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
第二材料で形成される前記物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
を含む、前記計算することと、
造形容積を与えることであって、前記造形容積は、
第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、
第二波長を有する光による照射時に前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分であって、前記第二材料は前記第一材料とは異なる機械的性質を有する、前記第二感光性成分、
を含む、前記与えることと、
前記第一波長を有する前記光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、前記第二波長を有する前記光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、前記投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で前記造形容積を照射することと、
それにより前記マルチマテリアル三次元物体を物理的に再現することと、
を含む、前記方法。
２．前記再現されたマルチマテリアル三次元物体の各ポイントの前記機械的性質は、前記ポイントに蓄積された前記第一エネルギー分布と前記第二エネルギー分布との間の比率によって決定される、項目１に記載の方法。
３．前記第一投影及び前記第二投影の前記計算ステップは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布によって定義される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
４．前記第一材料は前記第二材料よりも剛性が高く、剛性が高い前記マルチマテリアル三次元物体のポイントでは、前記照射するステップは、前記第二波長を有する前記光に対して前記第一波長を有する前記光の線量をより高く蓄積することを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
５．前記マルチマテリアル三次元物体は、前記造形容積のいくつかのボクセルで再現され、前記計算するステップは、前記ボクセルのそれぞれについて、前記第一波長を有する前記光と前記第二波長を有する前記光との間の比率を、前記比率による前記ボクセルの照射時に各ボクセルの前記機械的性質が決定されるように決定することを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
６．前記第一感光性成分は、エポキシモノマーと、前記第一波長を有する前記光による照射時に活性化される第一光重合開始剤とを含み、前記第二感光性成分は、アクリレートモノマーと、前記第二波長及び／または前記第一波長を有する前記光による照射時に活性化される第二光重合開始剤とを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
７．前記照射するステップは、
前記光が前記第一波長を有している、前記第一投影によって定義される第一数のパターンの光で、第一投影ユニットによって前記造形容積を照射することと、
前記光が前記第二波長を有している、前記第二投影によって定義される第二数のパターンの光で、第二投影ユニットによって前記造形容積を照射することと、
を含み、
前記第一投影ユニット、前記第二投影ユニット、及び前記造形容積は平面内に位置しており、前記平面に垂直であり、前記造形容積の中心と交差する回転軸で前記造形容積は回転する、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
８．前記投影は、以下のリスト、すなわち、ラドン変換後に断層撮影再構成フィルタ、ファンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、及び／またはコーンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、のうちのいずれか１つを使用して計算される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
９．前記第一波長及び前記第二波長のうちの一方はＵＶ領域内にあり、他方は可視領域内にある、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１０．前記再現されたマルチマテリアル三次元物体は、傾斜機能材料を含む、または前記傾斜機能材料からなる、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１１．前記マルチマテリアル三次元物体は、少なくとも２桁の大きさで異なるヤング率を有する部分を含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１２．前記マルチマテリアル三次元物体は、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植のためなどの人工組織である、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１３．前記造形容積は細胞を含み、前記細胞は、前記造形容積の照射時に前記細胞が前記マルチマテリアル三次元物体に組み込まれるように配置される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１４．前記第一投影及び前記第二投影の前記計算は、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布によって定義される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１５．前記マルチマテリアル三次元物体の特定の造形物の形成に使用する前記材料の前記計算は、前記物体の前記機械的性質の分布によって定義される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１６．各投影はエネルギー分布を含み、または前記エネルギー分布からなり、前記投影の前記エネルギー分布の前記計算は、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布によって定義される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１７．完全に重合された場合など、前記第一材料及び前記第二材料など、前記材料の前記機械的性質は異なる、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１８．前記造形容積には、前記照射ステップ中に、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の前記分布を決定する、エネルギー分布が与えられる、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
１９．前記エネルギー分布は波長ごとに異なる、項目１８に記載の方法。
２０．前記第一材料及び前記第二材料で形成される前記マルチマテリアル三次元物体の前記造形物の少なくとも一部は重なる、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２１．前記再現されたマルチマテリアル三次元物体は、傾斜材料から構成される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２２．前記マルチマテリアル三次元物体は、少なくとも２桁の大きさで異なるヤング率を有する部分を含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２３．前記計算するステップは、第三材料で形成される前記物体の第三造形物を記述するいくつかの第三投影を計算することを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２４．前記造形容積は、第三波長を有する光による照射時に前記第三材料へと重合することができる第三感光性成分を含む、項目２３に記載の方法。
２５．前記感光性成分のそれぞれは、
ａ．モノマーなどのプレポリマー、及び
ｂ．前記感光性成分ごとに異なる、前記第一波長及び前記第二波長など、開始波長を有する光による照射時に活性化される光重合開始剤、
を含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２６．各感光性成分は、異なる種類の光重合開始剤及び／またはプレポリマーを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２７．前記光重合開始剤は、フリーラジカル系光重合開始剤、カチオン系光重合開始剤、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２８．前記プレポリマーは、アクリレート系モノマー、エポキシ系モノマー、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
２９．前記第一波長及び前記第二波長などの前記照射波長は、異なる波長である、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３０．前記第一感光性成分及び前記第二感光性成分などの前記感光性成分は、実質的に重ならない吸収スペクトルを有する、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３１．前記投影は、以下のリスト、すなわち、ラドン変換後に断層撮影再構成フィルタ、ファンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、コーンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、逐次近似再構成技法、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つを使用して計算される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３２．前記造形容積は、前記造形容積の中心と交差する垂直回転軸を中心に回転している、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３３．前記パターンの光は、前記造形容積の回転面に実質的に平行な前記パターンの光を投影している投影ユニットによって生成される、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３４．前記造形容積を中心に回転しており、前記パターンの光を前記造形容積の方に投影している投影ユニットによって、前記パターンの光は生成される、項目１～３１のいずれか１項に記載の方法。
３５．前記方法は、前記造形容積の照射に続いて、前記造形容積の未硬化造形物の除去をさらに含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３６．前記方法は、残存するプレポリマー及び光重合開始剤を除去して前記材料を生細胞と適合させるためなどの溶剤の交換をさらに含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３７．前記溶剤の交換は、前記マルチマテリアル三次元物体をエタノール中に、２日間など浸漬させた後、水中に、例えば２日間水を２回交換してなど、浸漬させることを含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３８．前記マルチマテリアル三次元物体は、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植のためなどの人工組織である、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
３９．前記造形容積は、未分化幹細胞、例えばｉＰＳ細胞などの細胞を含む、先行項目のいずれか１項に記載の方法。
４０．造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムであって、
前記物体の異なる配向角から形成される前記マルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するための処理ユニットであって、前記いくつかの投影は、
第一材料で形成される前記物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
第二材料で形成される前記物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
を含む前記処理ユニットと、
複数の波長で制御された空間パターンの光を発することができる投影システムであって、前記制御された空間パターンは前記投影に由来する、前記投影システムと、
前記造形容積であって、
第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、及び
感光性材料の第二波長を有する光による照射時に、前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分、
を含む、前記造形容積と、
前記造形容積に対する前記パターンの光の入射方向を制御可能に変動させるための方向調整ユニットと、
前記第一波長を有する前記光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、前記第二波長を有する前記光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、前記投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で前記造形容積が照射されるように、前記方向調整ユニット及び前記投影システムを制御するように構成されたコントローラと、
を含む、前記システム。
４１．前記システムは、項目１～３９のいずれか１項に記載の前記方法を実行するように構成される、項目４０に記載のシステム。
４２．前記造形容積を収容するための容器をさらに含み、前記容器は前記パターンの光に対して光学的に透過性である、項目４０～４１のいずれか１項に記載のシステム。
４３．前記処理ユニットは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記投影を計算するように構成される、項目４０～４２のいずれか１項に記載のシステム。
４４．前記処理ユニットは、前記物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記マルチマテリアル三次元物体の特定の造形物の形成に使用するために前記材料を計算するように構成される、項目４０～４３のいずれか１項に記載のシステム。
４５．前記投影は、エネルギー分布を含み、または前記エネルギー分布からなり、前記処理ユニットは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記投影の前記エネルギー分布を計算するように構成される、項目４０～４４のいずれか１項に記載のシステム。
４６．前記システムは、少なくとも２つの感光性成分を含む造形容積を有し、
前記少なくとも２つの感光性成分は、
ａ．第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、
ｂ．感光性材料の第二波長を有する光による照射時に前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分、
を含む、項目４０～４５のいずれか１項に記載のシステム。
４７．前記投影ユニットは、異なる波長の光で前記造形容積を照射するように構成される、項目４０～４６のいずれか１項に記載のシステム。
４８．前記投影ユニットは、別の角度などから、第二波長の光でのパターンの光によって前記造形容積をさらに照射するように構成される、項目４０～４７のいずれか１項に記載のシステム。
４９．前記投影ユニットは、異なるスペクトルを有する複数の光源、または前記第一波長もしくは前記第二波長などの波長をフィルタリングして除去するように構成されたフィルタユニットに結合された単一光源など、複数の分離された波長を生成するように配置された単一光源を含む、項目４０～４８のいずれか１項に記載のシステム。
５０．前記投影ユニットは、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つを含む、項目４０～４９のいずれか１項に記載のシステム。
５１．前記光源は、ハロゲン電球などの１つ以上の白熱電球、またはレーザ、ＬＥＤ、もしくは放電ランプなどの１つ以上の蛍光ランプを含む、項目４０～５０のいずれか１項に記載のシステム。
５２．前記方向調整ユニットは、前記第一投影ユニットの照明領域内で前記造形容積を回転させるように、及び／または前記造形容積に対して前記第一投影ユニットを回転させるようにいずれでも構成される、項目４０～５１のいずれか１項に記載のシステム。
５３．前記第一投影ユニットは、前記照明方向が前記造形容積の前記回転面に平行であるように配向される、項目４０～５２のいずれか１項に記載のシステム。
５４．前記システムは、前記造形容積が第一波長で第一シーケンスの空間光パターンによって照明され、並行してまたはその後、前記マルチマテリアル三次元物体が形成されるまで、前記造形容積が第二波長で第二シーケンスの空間光パターンによって照明されるように構成される、項目４０～５３のいずれか１項に記載のシステム。

Claims (36)

  1. マルチマテリアル三次元物体を製造するための方法であって、
    前記物体の異なる配向角から形成される前記マルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算することであって、前記いくつかの投影は、
    第一材料で形成される前記物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
    第二材料で形成される前記物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
    を含む、前記計算することと、
    造形容積を与えることであって、前記造形容積は、
    第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、
    第二波長を有する光による照射時に前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分であって、前記第二材料は前記第一材料とは異なる機械的性質を有する、前記第二感光性成分、
    を含む、前記与えることと、
    前記第一波長を有する前記光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、前記第二波長を有する前記光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、前記投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で前記造形容積を照射することと、
    それにより前記マルチマテリアル三次元物体を物理的に再現することと、
    を含む、前記方法。
  2. 前記再現されたマルチマテリアル三次元物体の各ポイントの前記機械的性質は、前記ポイントに蓄積された前記第一エネルギー分布と前記第二エネルギー分布との間の比率によって定義される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第一投影及び前記第二投影を計算する前記ステップは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布によって定義される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  4. 前記第一材料は前記第二材料よりも剛性が高く、剛性が高い前記マルチマテリアル三次元物体の対応するポイントでは、前記照射するステップは、前記第二波長を有する前記光に対して前記第一波長を有する前記光の線量をより高く蓄積することを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記マルチマテリアル三次元物体は、前記造形容積のいくつかのボクセルで再現され、前記計算するステップは、前記ボクセルのそれぞれについて、前記第一波長を有する前記光と前記第二波長を有する前記光との間の比率を、前記比率による前記ボクセルの照射時に各ボクセルの前記機械的性質が決定されるように定義することを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記第一感光性成分は、エポキシモノマーと、前記第一波長を有する前記光による照射時に活性化される第一光重合開始剤とを含み、前記第二感光性成分は、アクリレートモノマーと、前記第二波長を有する前記光による照射時に活性化される第二光重合開始剤とを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記照射するステップは、
    前記光が前記第一波長を有している、前記第一投影によって定義される第一数のパターンの光で、第一投影ユニットによって前記造形容積を照射することと、
    前記光が前記第二波長を有している、前記第二投影によって定義される第二数のパターンの光で、第二投影ユニットによって前記造形容積を照射することと、
    を含み、
    前記第一投影ユニット、前記第二投影ユニット、及び前記造形容積は平面内に位置しており、前記平面に垂直であり、前記造形容積の中心と交差する回転軸で前記造形容積は回転する、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記投影は、以下のリスト、すなわち、ラドン変換後に断層撮影再構成フィルタ、ファンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、及び／またはコーンビームアルゴリズム後に断層撮影再構成フィルタ、のうちのいずれか１つを使用して計算される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記第一波長及び前記第二波長の一方はＵＶ領域内にあり、他方は可視領域内にある、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記第一波長を有する前記光による前記造形容積の前記照射の完了は、前記第二波長を有する前記光と同時に完了する、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記感光性成分のそれぞれは、
    ａ．モノマーなどのプレポリマー、及び
    ｂ．前記感光性成分ごとに異なる、前記第一波長及び／または前記第二波長など、開始波長を有する光による照射時に活性化される光重合開始剤、
    を含み、
    前記光重合開始剤の活性化は前記プレポリマーを重合する、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記光重合開始剤は、フリーラジカル系光重合開始剤、カチオン系光重合開始剤、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記プレポリマーは、アクリレート系モノマー、エポキシ系モノマー、またはそれらの組み合わせを含むリストから選択される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記第一感光性成分は、エポキシモノマーと、前記第一波長を有する前記光による照射時に活性化される第一光重合開始剤とを含み、前記第二感光性成分は、アクリレートモノマーと、前記第二波長及び／または前記第一波長を有する前記光による照射時に活性化される第二光重合開始剤とを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  15. 前記第一波長はＵＶ範囲内にあり、前記第二波長は可視光範囲内にある、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  16. 前記第一感光性成分は、３，４－エポキシシクロヘキシルメチル３，４－エポキシシクロヘキサンカルボキシレート（ＥＥＣ）であり、前記第二感光性成分は、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）である、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  17. 前記マルチマテリアル三次元物体の少なくとも一部分は、前記第一材料及び前記第二材料が重なるポイントを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  18. 前記再現されたマルチマテリアル三次元物体は、傾斜機能材料を含む、または前記傾斜機能材料からなる、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  19. 前記マルチマテリアル三次元物体は、ヤング率が少なくとも２桁の大きさで異なる部分を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  20. 前記マルチマテリアル三次元物体は、インビトロの薬物スクリーニングまたはインビボの移植のためなどの人工組織である、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  21. 前記造形容積は細胞を含み、前記細胞は、前記造形容積の照射時に前記細胞が前記マルチマテリアル三次元物体に組み込まれるように配置される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  22. 前記パターンは投影ユニットによって照射され、例えば、前記投影ユニットは、ＤＬＰプロジェクタ、ＬＥＤプロジェクタ、ＬＣＤプロジェクタ及び／またはレーザプロジェクタから選択される少なくとも１つのプロジェクタである、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  23. 前記パターンはマスクレスプロセスで照射される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
  24. 造形容積からマルチマテリアル三次元物体を製造するためのシステムであって、
    前記物体の異なる配向角から形成される前記マルチマテリアル三次元物体を記述するいくつかの投影を計算するように構成された処理ユニットであって、前記いくつかの投影は、
    第一材料で形成される前記物体の第一造形物を記述するいくつかの第一投影、
    第二材料で形成される前記物体の第二造形物を記述するいくつかの第二投影、
    を含む、前記処理ユニットと、
    複数の波長で制御された空間パターンの光を発することができる投影システムであって、前記制御された空間パターンは前記投影に由来する、前記投影システムと、
    前記造形容積であって、
    第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、及び
    感光性材料の第二波長を有する光による照射時に、前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分、
    を含む、前記造形容積と、
    前記造形容積に対する前記パターンの光の入射方向を制御可能に変動させるための方向調整ユニットと、
    前記造形容積では、前記第一波長を有する前記光が第一エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積し、前記第二波長を有する前記光が第二エネルギー分布に従ってエネルギーを蓄積するような、それぞれの対応する配向及び波長で、前記造形容積が前記投影によって定義されるような、いくつかのパターンの光で照射されるように、前記方向調整ユニット及び前記投影システムを制御するように構成されたコントローラと、
    を含む、前記システム。
  25. 前記システムは、請求項１～２１のいずれか１項に記載の前記方法を実行するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
  26. 前記システムは、前記第一波長を有する前記光及び前記第二波長を有する前記光によって同時に前記造形容積を照射するように配置される、請求項２４～２５のいずれか１項に記載のシステム。
  27. 前記処理ユニットは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記投影を計算するように構成される、請求項２４～２６のいずれか１項に記載のシステム。
  28. 前記処理ユニットは、前記物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記マルチマテリアル三次元物体の特定の造形物の形成に使用するために前記材料を計算するように構成される、請求項２４～２７のいずれか１項に記載のシステム。
  29. 前記投影は、エネルギー分布を含み、または前記エネルギー分布からなり、前記処理ユニットは、前記マルチマテリアル三次元物体の前記機械的性質の分布に基づいて前記投影の前記エネルギー分布を計算するように構成される、請求項２４～２８のいずれか１項に記載のシステム。
  30. 前記システムは、少なくとも２つの感光性成分を含む造形容積を有し、
    前記少なくとも２つの感光性成分は、
    ａ．第一波長を有する光による照射時に前記第一材料へと重合することができる第一感光性成分、
    ｂ．感光性材料の第二波長を有する光による照射時に前記第二材料へと重合することができる第二感光性成分、
    を含む、請求項２４～２９のいずれか１項に記載のシステム。
  31. 前記投影システムは、異なる波長の光で前記造形容積を照射するように構成される、請求項２４～３０のいずれか１項に記載のシステム。
  32. 前記投影システムは、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を含むリストから選択された少なくとも１つの投影ユニットを含む、請求項２４～３１のいずれか１項に記載のシステム。
  33. 前記光源は、ハロゲン電球などの１つ以上の白熱電球、またはレーザ、ＬＥＤ、もしくは放電ランプなどの１つ以上の蛍光ランプを含む、請求項２４～３２のいずれか１項に記載のシステム。
  34. 前記方向調整ユニットは、第一投影ユニットの照明領域内で前記造形容積を回転させるように、及び／または前記造形容積に対して前記第一投影ユニットを回転させるようにいずれでも構成される請求項２４～３３のいずれか１項に記載のシステム。
  35. 前記第一投影ユニットは、前記照明方向が前記造形容積の回転の前記平面に平行であるように配向される、請求項２４～３４のいずれか１項に記載のシステム。
  36. 前記システムは、前記造形容積が第一波長で第一シーケンスの空間光パターンによって照明され、並行してまたはその後、前記マルチマテリアル三次元物体が形成されるまで、前記造形容積が第二波長で第二シーケンスの空間光パターンによって照明されるように構成される、請求項２４～３５のいずれか１項に記載のシステム。

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