KR102515157B1 - 3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치 - Google Patents

3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102515157B1
KR102515157B1 KR1020217007479A KR20217007479A KR102515157B1 KR 102515157 B1 KR102515157 B1 KR 102515157B1 KR 1020217007479 A KR1020217007479 A KR 1020217007479A KR 20217007479 A KR20217007479 A KR 20217007479A KR 102515157 B1 KR102515157 B1 KR 102515157B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogel
hydrogel structure
solution
porous
layer
Prior art date
Application number
KR1020217007479A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210059717A (ko
Inventor
하이코 짐머만
줄리아 뉴바우어
마이클 게프
벤자민 피셔
Original Assignee
프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우 filed Critical 프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
Publication of KR20210059717A publication Critical patent/KR20210059717A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102515157B1 publication Critical patent/KR102515157B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/222—Gelatin
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/227—Other specific proteins or polypeptides not covered by A61L27/222, A61L27/225 or A61L27/24
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/24—Collagen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/26—Mixtures of macromolecular compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
    • A61L27/38—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix containing added animal cells
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/52—Hydrogels or hydrocolloids
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/245—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/364—Conditioning of environment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/04—Alginic acid; Derivatives thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/364—Conditioning of environment
    • B29C64/371—Conditioning of environment using an environment other than air, e.g. inert gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2005/00—Use of polysaccharides or derivatives as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/0058—Liquid or visquous
    • B29K2105/0061—Gel or sol
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16—Fillers

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

본 발명은 층 형성(layer build-up) 기술로 3차원의 바람직하게는 다공성인 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 본 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 액체 하이드로겔 용액, 바람직하게는 액체 알긴산염 용액, 및 바람직하게는 운반 가능한 샘플 캐리어를 제공하는 단계(S1). 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물을 제조하기 위해, 온도가 하이드로겔 용액의 어는점 아래인 온도 환경에서 액체 하이드로겔 용액을 샘플 캐리어 상으로 적층식으로 도포하는 단계(S2). 3D 층상 하이드로겔 구조물의 공극률, 즉, 3D 층상 하이드로겔 구조물에 있는 작은 공간, 공동 및/또는 함몰부의 비율을 유리하게 증가시키기 위해, 본 발명에 따른 방법은, 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 제조하기 위해 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물을 예컨대 냉동 건조로 건조하는 단계(S3)를 더 포함한다. 본 발명은 또한 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치
본 발명은 바람직하게는 다공성인 3차원 하이드로겔 구조물을 층 형성(layer build-up) 기술로 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치에 관한 것이다.
하이드로겔은 가교 결합되는 친수성 폴리머 네트워크인데, 이 폴리머 네트워크는 다량의 물 또는 다른 액체를 흡수할 수 있다. 하이드로겔은, 그의 생체 적합성, 조직과 비슷한 기계적 특성 및 치료 작용 성분 및/또는 세포의 용이한 포함 때문에, 생물학적 조직(tissue)의 합성 제조(소위, "조직 공학"이라고 함)에 특히 적합하다.
이를 위해, 통상적으로 먼저 하이드로겔의 스캐폴드(scaffold) 구조가 생성되며, 이어서 또는 어떤 경우에는 심지어 이미 그 스캐폴드 구조의 제조 동안에, 살아 있는 세포가 스캐폴드 구조 상으로 가해지게 된다. 이와 관련하여, 가능한 진짜 같은 조직 구성(예컨대, 합성 이식에 요구되는 것)을 제조하기 위한 적절한 하이드로겔 스캐폴드를 생성하기 위해 3D 프린팅 기술 구조를 사용하는 것이 또한 종래 기술에 알려져 있다. 예컨대, B.Fischer 등의 과학 논문 "3D printing of hydrogels in a temperature controlled environment with high spatial resolution", CDBME, 2, 109 (2016)에는, 먼저 냉동 하이드로겔 스캐폴드 구조를 생성하기 위해, -20℃ 내지 -15℃의 온도에서 3D 프린터로 알긴산염 용액을 적층식으로 도포하는 것이 개시되어 있고, 그 냉동 하이드로겔 스캐폴드 구조는 이어서 겔화로 가교 결합되어 안정화된다.
그러나 이완 관련된 문제는, 스캐폴드 구조물은 하이드로겔 구조에서 세포의 성장, 영양분 공급 및 이동을 위해 적절한 공극률을 가져야 한다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해, EP 2 679 669 A1에서, 추가 겔 첨가제, 바람직하게는 젤라틴을 프린팅 과정 전에 하이드로겔 용액에 추가하는 것이 제안되어 있다. 흩어져 분포되는 젤라틴 액적들은 기존의 공간이 하이드로겔 용액으로 완전히 채워지는 것을 방지하고 또한 하이드로겔 용액의 안정화(겔화) 후에 간단히 세척되어 제거될 수 있는데, 그 결과, 공간 또는 세공(pore)을 갖는 하이드로겔 구조가 나타나게 된다. 그러나 이 방법의 단점은, 하이드로겔과 겔 첨가제의 혼합물의 사용으로, 전체 하이드로겔 스캐폴드 구조에 걸친 균질한 세공 분포가 분리 공정에 의해 보장될 수 없다는 것이다. 또한, 하이드로겔 구조의 겔화 동안에, 겔화 용액이 내부로 확산되는 것이 여전히 존재하는 젤라틴 입자 때문에 방해를 받게 되는데, 이로 인해, 불균질한 겔화 또는 미세 구조의 손실이 일어날 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 이전 해결 방안의 단점을 피할 수 있는, 바람직하게는 다공성인 3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 특히, 이와 관련하여 본 발명의 목적은, 제어 가능하고 또한 규정된 세공 특성을 갖는 다공성 하이드로겔 구조물을 생성하기 위한 용이한 가능성을 제공하는 것이다.
이들 목적은 본 발명에 따라 독립 청구항의 방법과 장치로 달성된다. 본 발명의 유리한 실시 형태와 적용은 독립 청구항의 주제이고 도면을 부분적으로 참조하는 이하의 설명에서 더 상세히 설명된다.
본 발명에 따르면, 층 형성 기술로 3차원(3D) 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
액체 하이드로겔 용액, 바람직하게는 액체 알긴산염 용액, 및 바람직하게는 운반 가능한 샘플 캐리어를 제공하는 단계. 액체 하이드로겔 용액은 예컨대 0.3 - 1.5% 수성 알긴산염 용액일 수 있고, 샘플 캐리어는 바람직하게는 열전도성 재료로 만들어진다.
본 방법은, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물을 제조하기 위해, 온도가 하이드로겔 용액의 어는점 아래인 온도 환경에서 액체 하이드로겔 용액을 샘플 캐리어 상으로 적층식으로 도포하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는, 적층식 도포는, 층 형성 기술에서 통상적인 것 처럼, 이전에 도포된 층(특정한 경우에는 이미 가능한 한 냉동되어 있음) 상으로 새로운 층이 도포되도록 일어난다. 이를 위해 온도 환경의 온도는 저온 가스에 의해, 예컨대 저온 질소 가스를 샘플 캐리어의 영역 안으로 공급하여 조절될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 온도의 조절은, 또한 저온 액체, 예컨대 액체 질소, 열교환 장치 및/또는 펠티어(Peltier) 요소 장치를 통해 이루어질 수 있다.
3D 층상 하이드로겔 구조물의 공극률(즉, 3D 층상 하이드로겔 구조물에 있는 작은 공간, 공동 및/또는 함몰부의 비율)을 유리하게 증가시키기 위해, 본 발명에 따른 방법은, 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 제조하기 위해 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물을 건조하는 단계를 더 포함한다. 이 건조 단계는 적층식 도포 후에, 즉 완전한 3D 층상 하이드로겔 구조물이 생성된 후에 즉시 일어날 수 있고, 대안적으로, 건조는 이미 적층식 도포와 동시에 일어날 수도 있다.
건조는 냉동 건조로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 적외선(IR) 건조 또는 소위 임계점 또는 초임계점 건조(CPRD) 방법이 건조에 사용될 수 있다. 서로 다른 건조 방법들이 조합될 수 있는데, 그래서, 예컨대, 서로 다른 건조 방법들이 시간에 따라 연속적으로 사용된다.
임계점 또는 초임계점 건조는 건조의 한 형태인데, 이러한 건조에서는, 용매(예컨대, CO2/메탄올/아세톤)의 상전이는 압력과 온도의 영향을 받으며, 그래서, 고체에서 기체로의 전이(냉동 건조) 또는 액체에서 기체로의 전이(비등/들끓음) 대신에, 용매는 액체에서 초임계 유체로 그런 다음에 기체 상태로 전이된다. 이의 이점은, 상경계가 교차되지 않고 결과적으로 건조의 있을 수 있는 부정적인 영향(예컨대, 구조의 손실)이 회피된다는 것이다.
더욱이, 건조, 예컨대 냉동 건조(승화 건조 또는 동결 건조라고도 함)는 서로 다른 주변 온도 및/또는 주변 압력에서 복수의 단계, 즉 주 건조 단계 및 추가 건조 단계에서 일어날 수 있다. 따라서, 유리하게도, 건조한 그래서 저장 가능한 다공성 3D 하이드로겔 구조물이 생성될 수 있다. 이와 관련하여, "다공성 3D 하이드로겔 구조물" 이라는 표현은, 건조 단계를 통해 얻어지는 3D 하이드로겔 구조물을 말한다. 게다가, 3D 하이드로겔 구조물의 공극률은, 이렇게 해서, 구조물의 추후 겔화시에 겔화제가 3D 하이드로겔 구조물의 내부 안으로 빠르게 또한 균일하게 침투할 수 있고 그래서 구조물의 실제 안정화 전에 구조물이 해동되어 흐르는 것이 겔화를 통해 방지됨에 따라 균질한 큰 부피의 구조물이 또한 생성될 수 있다는 이점을 준다.
그리하여 3D 층상 하이드로겔 구조물의 정밀하고 재현 가능한 제조를 유리하게 달성하기 위해, 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치를 이용하는 적층식 도포의 단계는 본 발명의 한 양태에 따라 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 그 장치를 3D 프린팅 장치라고 할 수 있다. 이를 위해, 본 장치는, 액체 하이드로겔 용액, 예컨대 수성 알긴산염 용액의 계량 방출을 위한 프린트 헤드, 샘플 캐리어를 수용하는 지지부, 및 위치 지정 장치를 포함할 수 있고, 위치 지정 장치는 3개의 공간 방향으로 지지부에 대한 프린트 헤드의 상대 위치를 변화시키도록 구성되어 있다. 이와 관련하여, 상대 위치를 "변화시키는" 것은, 프린트 헤드를 고정된 지지부에 대해 이동시키는 것, 지지부를 고정된 프린트 헤드에 대해 이동시키는 것 및/또는 프린트 헤드와 지지부를 서로에 대해 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 위치 지정 및/또는 하이드로겔 용액(이와 관련하여 프린팅 매체 또는 잉크 라고도 할 수 있음)의 도포량 투여는 제어 장치로 제어된다. 또한, 여기서 프린트 헤드는 투여 바늘, 압출기 다이 및/또는 다른 투여 장치 및/또는 하이드로겔 용액의 온도를 조절하는 가열 장치를 포함할 수 있다.
한 변형예에 따르면, 그러나 적층식 도포는 손으로 조작되는 투여 장치, 예컨대 피펫(pipette)으로도 수행될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 건조 단계는 감소된 압력에서 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물로부터 냉동 수의 적어도 일부분을 승화시키는 것을 포함할 수 있다. 이전의 액체 하이드로겔 용액이 물 대신에 다른 용매를 추가적으로 또는 대안적으로 포함하면, 건조 단계는 감소된 압력에서 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물로부터 적절한 냉동 용매의 적어도 일부분을 승화시키는 것을 추가적으로 또는 대안적으로 또한 포함한다. 여기서 "감소된 압력" 이라는 표현은, 특히, 표준 압력 아래의, 즉 1013 mbar 아래의 낮은 압력, 바람직하게는 거친 진공 또는 미세한 진공을 말할 수 있다. 바람직하게, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물은 승화 동안에 냉동 상태 및/또는 실온 아래의 온도로 유지된다. 이렇게 해서, 유리하게도, 3D 층상 하이드로겔 구조물의 완만한 건조(이러한 건조에서는 그 구조물의 형상과 구조가 대부분 유지됨)가 달성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 건조는 적외선 건조, 임계점 건조 및/또는 초임계점 건조로 달성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 3D 하이드로겔 구조물의 제1 세공 특성, 예컨대 세공 분포는 적층식 도포 단계에서 적어도 하나의 제1 작업 파라미터로 조절될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 3D 하이드로겔 구조물의 제2 세공 특성, 예컨대 평균 세공 크기는 건조 단계에서 적어도 하나의 제2 작업 파라미터로 조절될 수 있다. 다시 말해, 원하는 제1 및/또는 제2 세공 특성은 제1 및/또는 제2 작업 파라미터의 함수로 조절될 수 있고, 또는 제1 및/또는 제2 작업 파라미터는 특히 특정한 제1 및/또는 제2 세공 특성을 얻도록 선택될 수 있다. 이를 위해, 본 방법은, 예컨대, 바람직하게는 이전에 결정된 특성 곡선을 사용하여, 제1 세공 특성의 함수로 제1 작업 파라미터의 값을 설정하는 단계 및/또는 바람직하게는 이전에 결정된 특성 곡선을 사용하여, 제2 세공 특성의 함수로 제2 작업 파라미터의 값을 설정하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 세공 특성은 서로 다르거나 동일한 세공 특성일 수 있다. 예컨대, 3D 하이드로겔 구조물의 세공 특성인 공극률은, 얼음 결정 형성의 관련된 증가의 결과로 적층식 도포의 단계에서 수성 하이드로겔 용액의 농도의 감소를 통해 증가될 수 있다. 더욱이, 적층식 도포의 단계 및 건조 단계 모두에서, 각 경우에, 복수의 세공 특성, 예컨대, 세공 분포와 평균 세공 크기가 조절될 수 있다. 바람직하게, 제1 및/또는 제2 세공 특성은 또한 공정에서 위치에 따라 가변적으로 조절될 수 있다. 이와 관련하여 세공 특성에 대한 적절한 파라미터의 영향은 적절한 예비 실험 또는 시험 시리즈로 결정될 수 있고, 그 실험 또는 시험 시리즈에서 파라미터는 특정한 값 범위에서 변화되고 세공 특성에 대한 결과적인 영향이 관찰된다. 더욱이, 이 의존성의 상관 관계는 또한 특성 곡선의 형태로 저장될 수 있다. 이렇게 해서, 유리하게도, 규정된 세공 특성을 갖는 3D 하이드로겔 구조물이 구체적으로 생성될 수 있고, 또한 세공 특성의 국부적인 변화를 통해 특히 조직 전이 및/또는 병리학적 변화, 예컨대 흉터가 복제될 수 있다.
이 양태의 추가 개량예에 따르면, 3D 하이드로겔 구조물의 제1 및/또는 제2 세공 특성은 세공 분포, 공극률, 평균 세공 크기, 평균 세공 배향, 평균 세공 형상 및/또는 평균 세공 부피이다. 예컨대, 제1 및/또는 제2 세공 특성은, 사실, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 세공 특성의 특성화를 위한 비표면 및/또는 몇몇 다른 양(명확히 명명되지 않았고,은바람직하게는 통계학적 양)일 수도 있다. 위에서 언급된 양은 3D 하이드로겔 구조물의 중요한 물리적 특성(예컨대, 탄성)의 결정에 기여하기 때문에, 이들 양의 특정한 조절을 통해 유리하게도 하이드로겔 구조물의 특성을 신뢰적으로 제어할 수 있다. 따라서, 이렇게 해서, 가능한 한 진짜 같은 조직 구성이 생성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 적어도 하나의 제1 작업 파라미터는, 온도 환경의 온도, 온도 환경의 온도 분포 및/또는 온도 구배, 액체 하이드로겔 용액이 샘플 캐리어 상에 도포되는 분위기의 조성(예컨대, 액체 질소와 드라이 아이스의 혼합물), 액체 하이드로겔 용액의 농도, 액체 하이드로겔 용액의 점도 및/또는 적층식 도포의 속도를 포함할 수 있다. 예컨대, 액체 하이드로겔 용액의 농도를 낮추어, 공극률의 증가를 이룰 수 있다. 이와 관련하여, 바람직하게는, 특히 온도 및 점도와 같은 상호 관련된 양으로, 3D 하이드로겔 구조물의 제1 세공 특성의 조절시에 복수의 이들 작업 파라미터가 고려된다. 위에서 언급된 작업 파라미터는 더욱이 모니터링하고 그리고/또는 변화시키는 것이 용이하기 때문에, 이는, 유리하게도, 규정된 세공 특성을 갖는 3D 하이드로겔 구조물의 신뢰적이고 용이한 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 적어도 하나의 제2 작업 파라미터는 주변 온도, 주변 압력 및/또는 건조 과정의 지속 시간을 포함할 수 있다. 여기서 주변 온도 및 주변 압력과 같은 양은, 건조 단계 동안에 샘플 캐리어에서의 국부적인 온도 및 압력으로 이해될 수 있다. 더욱이, 동시적인 적층식 도포와 건조의 경우에, 주변 온도는 적층식 도포의 단계에서 "온도 환경의 온도" 라고 하는 양과 같을 수 있다. 바람직하게는, 3D 하이드로겔 구조물의 제2 세공 특성의 조절시에 복수의 방금 언급된 작업 파라미터가 또한 고려된다. 여기서도, 작업 파라미터의 용이한 모니터링 및/또는 변화에 의해, 규정된 세공 특성을 갖는 3D 하이드로겔 구조물의 신뢰적이고 용이한 제조가 가능하게 된다.
본 발명에 따른 방법이 전술한 바와 같은 3D 프린팅 장치로 수행되는 경우, 본 발명의 추가 양태에 따르면, 적어도 하나의 제1 작업 파라미터는 프린트 헤드와 샘플 캐리어 사이의 간격 및/또는 프린트 헤드와 하이드로겔 용액의 마지막 도포 층 사이의 간격을 포함할 수 있다. 바람직하하게는, 이는 액체 하이드로겔 용액의 새로운 층이 도포되는 동안에 최상측 층에 대한 간격이며, 이 간격은 특히 바람직하게는 조절된다. 이와 관련하여, 하이드로겔 구조물의 공극률은 프린트 헤드와 하이드로겔 구조물의 마지막 도포 층 사이의 간격을 확대시켜 증가될 수 있는 것으로 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 따라서 이번에도, 규정된 세공 특성을 갖는 3D 하이드로겔 구조물이 유리하게도 쉽게 또한 신뢰적으로 생성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 방법은 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 기계적으로 구조화하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말해, 다공성 3D 하이드로겔 구조물은 건조 단계 후에 기계적으로 더 처리될 수 있다. 예컨대, 유리하게 3D 하이드로겔 구조물에 혈관을 모방하기 위해 채널이 다공성 3D 하이드로겔 구조물 안으로 용해 및/또는 뚫릴 수 있다. 이와 관련하여, 또한 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 혈관화를 말할 수 있다. 더욱이, 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 표면은 거칠게 되며 그리고/또는 연삭될 수 있다. 또한, 예컨대, 규정된 형상이 스탬프(stamp)에 의해 다공성 3D 하이드로겔 구조물 안으로 압입될 수 있으며 그리고/또는 규정된 형상이 다공성 3D 하이드로겔 구조물 밖으로 펀칭될 수 있다. 유리하게는, 기계적 구조화를 통해, 3D 하이드로겔 구조물의 국부적인 특성이 더욱더 변화될 수 있고, 그래서 가능한 한 진짜 같은 조직 모형이 생성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 방법은 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 건조 환경에서 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이와 관련하여, 그 환경은 낮은 분위기 습도를 가지며 그리고/또는 건조제, 예컨대 실리카 겔과 접촉한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화를 방지하기 위해 저장은 예컨대 질소 또는 무산소 분위기를 갖는 보호 가스 분위기에서 수행될 수 있다. 3D 층상 하이드로겔 구조물의 더 이른 건조의 결과로, 이 하이드로겔 구조물은 유리하게도 긴 기간 동안 유지될 수 있는데, 그 기간 동안에, 그렇지 않으면 습한 조건 하에서 일어나게 될 물리적 및/또는 화학적 변화, 예컨대 가수 분해가 억제될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 방법은 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 극저온 환경에서 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 그리하여, 극저온 환경은 바람직하게는 -100℃ 미만의, 특히 바람직하게는 -120℃ 미만의 온도를 갖는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 본 방법은 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 액체, 바람직하게는 물 및/또는 다른 용매로 습윤시키는 것을 또한 포함할 수 있다. 바람직하게는 이 단계는 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 방금 설명한 저장 후에 즉시 일어난다. 그래서, 이와 관련하여, 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 재수화(rehydration)를 말할 수 있다. 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 습윤시킨 결과로, 세포 및/또는 단백질에 의한 추후 코팅을 위해 습한 조건이 유리하게 다시 제공될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 본 방법은 다가 양이온, 바람직하게는 Ba2+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 및/또는 Sr2+에 의해 화학적 가교 결합을 통해 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 겔화하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 위해, 바람직하게는, 다공성 3D 하이드로겔 구조물은 겔화 용액, 예컨대 BaCl2 용액의 욕(bath)에서 배양된다. 특히 바람직하게는, 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 겔화 단계는, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물의 건조 단계 후에 일어난다. 유리하게도, 이 결과, 겔화제가 3D 하이드로겔 구조물의 내부 안으로 빠르게 또한 고르게 침투할 수 있다. 대안적으로, 건조 단계는 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 겔화 후에 일어날 수 있고 또는 본 방법은 추가의 겔 건조 단계, 즉 겔화된 3D 하이드로겔 구조물을 냉동 건조로 건조하는 추가 단계를 포함할 수 있다. 유리하게도, 겔화된 3D 하이드로겔 구조물의 유통 기한이 이렇게 해서 다시 증가된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 방법은 단백질, 바람직하게는 세포외 기질의 단백질 및/또는 세포, 바람직하게는 인간 세포로 다공성 3D 하이드로겔 구조물을 코팅하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 여기서, "세포외 기질" 이라는 용어는, 세포 사이의 공간에 있는 모든 거대 분자 전체를 말하는 것이다. 간단하게 말하면, 세포외 기질은 세포 외부에 위치되어 있는 조직의 구조적 요소로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 다공성 3D 하이드로겔 구조물의 활성화 또는 기능화를 또한 말할 수 있다. 더욱이, 다공성 3D 하이드로겔 구조물은 세포 배양액으로 배양될 수 있다. 유리하게도, 이렇게 해서 환자 특정적 및/또는 질병 특정적 조직 모형이 생성될 수 있는데, 그래서 예컨대, 새로운 약물이 그 조직 모형에 시도될 수 있다.
3D 하이드로겔 구조물의 추후 기능화에 추가로 또는 그 대신에, 다양한 첨가제가 실제 프린팅 전에 하이드로겔 용액에 이미 추가될 수 있다. 사용되는 프린팅 물질은 더 이상 순수한 하이드로겔 용액이 아니므로, 이와 관련하여, "하이브리드 잉크" 라는 표현이 적층식 도포에 사용되는 물질에 대해 또한 사용될 수 있다. 여기서, 액체 하이드로겔 용액은 다음과 같은 첨가제 중의 적어도 하나를 함유할 수 있다:
- 세공 유도물질(porogen), 즉 세공 형성 및 촉진 물질(또한 EP 114 11 28 B1 참조요), 예컨대 소금. 따라서, 세공 유도물질은, 세공을 구체적으로 생성하거나 확장시킬 수 있는 물질이며, 예컨대, NaCa 결정과 같은 소금 결정이 있음,
- 계면활성제(이는 건조 및 세공의 형성에 영향을 줄 수 있음(예컨대, Pluronic 또는 Tween),
- 폴리에틸렌 글리콜,
- 단백질, 바람직하게는 세포외 기질의 단백질,
- 세포, 바람직하게는 인간 세포,
- 콜라겐
- 젤라틴,
- 팽화제(bulking agent)(이는 건조 동안에 스캐폴드 구조에 안정화 효과를 줌(예컨대, PEG, 당류 등),
- 수용액, 바람직하게는 설탕 및/또는 일반적인 소금의 용액, 및/또는
- 다가 양이온에 의한 화학적 가교 결합을 위한 겔화제.
이렇게 해서, 유리하게도, 하이드로겔 구조물에서 다양한 첨가제가, 확산 과정에 의한 추후 코팅으로 가능한 것 보다 더 균질하게 분포될 수 있다. 예컨대, 여기서, 추후 겔화제, 예컨대, BaCl2의 일부분이 도포 동안에 구조물 안으로 통합될 수 있고 이렇게 해서 "내부에서 외부로" 또한 그래서 외부에서 접근하기가 어려운 곳에서도 작용할 수 있다, 또한, 예컨대, 겔화 가능하지 않는 용액(예컨대, 설탕 및/또는 일반적인 소금의 용액)을 하이드로겔 용액에 추가하여 혈관계를 위한 공간 또는 채널을 구체적으로 생성하여, 다공성 3D 하이드로겔 구조체를 더욱더 구체적으로 만들 수 있다. 위에서 언급된 물질을 하이드로겔 용액에 "추가"하는 것에 추가적으로 또는 그에 대한 대안으로, 본 방법은 위의 물질 중의 하나 이상을 순수한 형태로, 즉 액체 하이드로겔 용액과의 조합 없이 도포하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 액체 하이드로겔 용액은, 화학적으로 유도되는 가교 결합으로 겔화되는 제1 첨가제, 바람직하게는 콜라겐, 및 열적으로 유도되는 가교 결합으로 겔화되는 제2 첨가제, 바람직하게는 젤라틴을 함유할 수 있다. 다시 말해, 도포되는 매체 또는 하이브리드 잉크는 3개의 상이한 겔화형(이온, 화학적으로 및 열적으로 유도되는)을 갖는 물질을 포함한다. 이와 관련하여, 이어지는 세 물질의 겔화는 동시에, 부분적으로 동시에, 또는 순차적으로 일어날 수 있다. 이 결과, 유리하게, 3D 하이드로겔 구조물의 국부적인 특성은 다시 더 변할 수 있거나 더 구체적으로 만들어질 수 있으며, 이렇게 해서, 가능한 한 진짜 같은 조직 모형이 생성될 수 있다.
이하, 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(3D 프린팅 장치라고도 할 수 있음)의 유리한 실시 형태를 설명한다. 이미 전술한 바와 같이, 본 장치는 액체 재료, 바람직하게는 액체 하이드로겔 용액의 계량 방출을 위한 프린트 헤드, 샘플 캐리어를 수용하는 지지부, 및 3개의 공간 방향으로 지지부에 대한 프린트 헤드의 상대 위치를 변화시키도록 구성되어 있는 위치 지정 장치를 포함한다. 이와 관련하여, 상대 위치를 "변화시키는" 것은, 프린트 헤드를 고정된 지지부에 대해 이동시키는 것, 지지부를 고정된 프린트 헤드에 대해 이동시키는 것 및/또는 프린트 헤드와 지지부를 서로에 대해 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 추가 양태에 따르면, 3D 프린팅 장치는, 저온 가스, 바람직하게는 질소가 공급되도록 구성되어 있는 열절연 트레이를 추가로 가질 수 있다. 다시 말해, 열절연 트레이는 저온 가스, 바람직하게는 질소가 안으로 공급되도록 구성될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 저온 액체, 예컨대 액체 질소도 열절연 트레이 안으로 공급될 수 있다. 따라서, 간단한 방식으로, 본 방법을 수행하기 위한 적절히 저온인 온도 환경이 생성될 수 있다. 또한, 샘플 캐리어를 수용하는 지지부는 열절연 트레이 내부에 배치될 수 있고 그리드형 지지부로 설계될 수 있다. 유리하게도, 이러한 지지부는, 첫째, 샘플 캐리어를 위한 양호한 기계적 유지를 제공하고, 둘째, 열절연 트레이를 통해 흐르는 냉동제의 이동을 가능한 한 적게 방해한다.
유리하게, 이 장치는 액체 하이드로겔 용액의 적층식 도포의 전술한 방법 단계를 수행하는 데에 특히 적합한데, 여기서 개시된 장치는, 더욱이, 본 명세서에서 방법과 관련하여 이미 설명한 바와 같은 모든 특징을 또한 가질 수 있고 또한 그 반대도 가능하다. 이는, 본 방법에 따라 개시된 방법의 특징은 그러므로 장치와 관련해서 개시되고 권리 청구 가능하며 또한 장치에 따라 개시된 장치의 특징은 그러므로 방법과 관련해서 개시되고 권리 청구 가능하다는 것을 의미한다. 그러나, 또한, 3D 프린팅 장치는 주제 그 자체로서 본 방법과는 독립적으로 개시되고 권리 청구 가능하다.
추가 양태에 따르면, 본 장치의 프린트 헤드는 투여 바늘을 포함할 수 있고, 이 투여 바늘은 액적 형성을 방지하기 위해 소수성 재료 및/또는 소수성 코팅 및/또는 파라핀 및/또는 네스코필름(Nescofilm)으로 둘러싸인다. 대안적으로, 바람직하게는 파라핀 왁스와 폴리에틸렌으로 만들어지는 다른 가요적인 소수성 재료도 사용될 수 있다. 그리하여, 유리하게도, 투여 바늘에서의 액적 형성이 가능한 한 방지된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 열절연 트레이는 2개의 층으로 이루어질 수 있으며, 제1 층은 제2 층 보다 낮은 열전도성을 갖는다. 이와 관련하여, 높은 벽과 평평한 바닥을 갖는 상부 개방형 용기를 트레이라고 이해할 수 있다. 여기서, 바람직하게는, 더 외측에 있는 층(이와 관련하여 제1 층이라고 할 수 있음)은 더 내측에 있는 층 보다 낮은 열전도성을 갖는다. 바람직하게, 제2 층은 샘플 캐리어를 수용하는 지지부와 접촉한다. 그래서, 유리하게도, 주변 환경에 대한 충분한 열절연을 달성할 수 있고 동시에 수용 수단과 샘플 캐리어의 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 공급되는 저온 가스의 온도는 가변적으로 조절될 수 있다. 바람직하게는, 온도는 특정 값으로 조절 및/또는 규제될 수 있다. 특히 바람직하게는, 공급되는 가스, 예컨대 질소의 온도는 저온 가스 장치에 의해 -180℃와 25℃ 사이의 범위로 조절될 수 있다. 대안적으로, 공급되는 액체의 온도는, 열교환 장치 및/또는 펠티어(Peltier) 요소 장치를 통해 가변적으로 조절될 수 있다. 유리하게는, 온도의 간단한 변화를 통해, 3D 하이드로겔 구조물의 결과적인 세공 특성이 구체적으로 조절될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 샘플 캐리어는 유리로 만들어질 수 있다. 더욱이, 샘플 캐리어는 필름, 막 및/또는 다공성 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게, 샘플 캐리어는 본질적으로 직사각형인 형상을 갖는다. 이렇게 해서, 샘플 캐리어와 하이드로겔 구조물 사이의 유리하게 충분한 열적 연결이 이루어질 수 있고, 동시에, 하이드로겔 구조물이 샘플 캐리어로부터 쉽게 분리될 수 있다.
본 발명의 전술한 양태와 특징들은 마음대로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 추가 상세점과 이점은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 층 형성 기술로 3D 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 추가 실시 형태에 따른 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 추가 실시 형태에 따른 선택된 방법 단계를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 지금까지 종래 기술에 알려져 있는 방법(위쪽) 및 본 발명의 일 실시 형태(아래쪽)에 따른 3D 하이드로겔 구조물의 개략적으로 나타난 형태를 비교한 것이다.
도 5는 지금까지 종래 기술에 알려져 있는 방법(위쪽) 및 본 발명의 일 실시 형태(아래쪽)에 따라 제조된 3D 하이드로겔 구조물의 사진과 현미경 사진의 비교를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 도 6에 나타나 있는 장치의 일부분에 대한 상세도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 층 형성 기술로 3D 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다. 이를 위해, 단계 S1에서, 액체 하이드로겔 용액, 예컨대 0.3 - 1.5% 수성 알긴산염 용액, 및 바람직하게는 운반 가능한 샘플 캐리어(4)가 제공된다. "알긴산염" 이라는 용어는 비분지형(unbranched) 음이온 다당류 사슬을 나타내며, 이 사슬은 주로 갈조류(brwon algae)로부터 얻어진다. 그런 다음에, 단계 S2에서, 액체 하이드로겔 용액이, 온도가 하이드로겔 용액의 어는점 아래인 온도 환경에서 샘플 캐리어(4) 상으로 적층식으로 도포되어, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이 제조된다. 이를 위해, 통상적인 수성 하이드로겔 용액은 예컨대 -10℃ 내지 0℃ 범위의 어는점을 가지며, 이와 관련하여, 액체 하이드로겔 용액의 어는점은 단순한 냉각 및 액체에서 고체의 상전이 온도의 관찰로 실험적으로 결정될 수 있다. 바람직하게는, 적층식 도포는, 이 명세서에서 설명되는 바와 같이, 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(10)에 의해 일어난다. 그런 다음에, 단계 S3에서, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이 건조되어, 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)이 생성된다. 건조 단계는 예컨대 냉동 건조로 수행될 수 있으며, 이 냉동 건조는 승화(sublimation) 건조 또는 동결 건조라고도 할 수 있다. 이를 위해, 냉동 용매, 예컨대 물의 적어도 일부분이 감소된 압력에서, 즉, 1013 mbar 아래의 압력에서 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)로부터 승화될 수 있다. 그래서, 유리하게도, 3D 층상 하이드로겔 구조물의 공극률(즉, 3D 층상 하이드로겔 구조물에 있는 작은 공간, 공동 및/또는 함몰부의 비율)이 증가될 수 있고, 추가로, 제조된 구조물의 유통 기한이 개선될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 건조는 적외선 건조, 임계점 건조 및/또는 초임계점 건조로 달성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 추가 실시 형태에 따른 방법의 흐름도를 나타낸다. 도 1에 나타나 있는 실시 형태와는 대조적으로, 본 방법은 추가 단계 S4를 포함하는데, 이 추가 단계에서, 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)은 다가 양이온, 예컨대, Ba2+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 및/또는 Sr2+에 의해 화학적 가교 결합으로 겔화된다. 이 과정(이온 겔화라고도 함)에서, 다가 양이온은 폴리머 사슬 사이에 배치되며, 그 결과, 폴리머 사슬의 회합 및 이로 인한 연결된 폴리머 네트워크의 형성이 정전기적 상호 작용으로 유도된다. 다시 말해, 3D 하이드로겔 구조물은 치수 안정적으로 된다. 이를 위해, 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)은 바람직하게는 겔화 용액, 예컨대 BaCl2 용액의 욕(bath)에서 배양된다. 바람직하게는, 이는 3D 하이드로겔 구조물의 여전히 냉동된 상태에서 일어날 수 있다. 이 결과, 유리하게도, 하이드로겔의 치수 안정적인 스캐폴드 구조물(이어서 살아 있는 세포가 조직 모형의 제조를 위해 그 스캐폴드 구조물 상에 가해질 수 있음)이 얻어진다.
도 3은 본 발명의 추가 실시 형태에 따른 선택된 방법 단계를 개략적으로 나타낸다. 액체 하이드로겔 용액(더 상세히 설명되지 않음) 및 유리 슬라이드 형태의 운반 가능한 샘플 캐리어(4)가 제공된 후에, 단계(i)는, 액체 하이드로겔 용액이, 온도가 하이드로겔 용액의 어는점 아래인 온도 환경에서 샘플 캐리어(4) 상으로 적층식으로 도포되는 것을 개략적으로 나타내며, 그래서 앞의 방법 단계(S2)에 대응한다. 적층식 도포를 위해, 본 경우에, 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(10)가 사용된다. 이 장치는 투여 바늘(7)을 통해 하이드로겔 용액을 계량 방출하기 위한 프린트 헤드(2), 샘플 캐리어(4)를 수용하는 그리드형 구조물(3), 및 위치 지정 장치(5)(나타나 있지 않음)를 포함하고, 이 위치 지정 장치는 3개의 공간 방향으로 지지부(3)에 대한 프린트 헤드(2)의 상대 위치를 변화시키도록 구성되어 있다. 이와 관련하여, 지지부(3) 및 샘플 캐리어(4)는, 여기에 나타나 있는 바와 같이, 복수의 샘플 캐리어(4)가 지지부(3) 상에 위치될 수 있도록 치수 결정될 수 있다. 단계(ⅱ)는 3D 프린팅 장치로부터 취해진 운반 가능한 샘플 캐리어(4)를 나타내는데, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이 그 샘플 캐리어 상에 위치되어 있다. 샘플 캐리어(4)는 예컨대 냉동 건조 장치 또는 다른 건조형 장치 안으로 전달될 수 있고, 이제 그 장치에서 건조의 다음 방법 단계가 일어나고, 동시에, 추가 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이 3D 프린팅 장치에서 제조된다. 단계(ⅲ)는, 예컨대 냉동 건조에 의해, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)의 건조로 제조된 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 나타내며, 그래서 방법 단계(S3)에 대응한다. 건조 과정 동안에, 함유되어 있는 용매 또는 물의 적어도 일부분이 예컨대 승화를 통해 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)로부터 제거된다. 냉동 건조가 사용되는 경우, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a) 주위의 주변 압력은 바람직하게는 수 mbar 이하의 압력 범위로의 조절로 낮아질 수 있다. 이 결과, 유리하게, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)의 완만한 건조가 이루어지며, 이러한 건조 동안에 그 하이드로 구조물의 형상과 구조는 대부분 유지된다. 단계(ⅳ)는 샘플 캐리어(4)로부터 분리된 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 나타내고, 이제 이어서 그 구조물은 겔화되고 기계적으로 구조화되며 그리고/또는 저장될 수 있다.
도 4는, 치수 안정적인, 즉 겔화된 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)의 제조에 대한 본 발명에 따른 방법으로 얻어지는 이점을 종래 기술에 알려져 있는 방법과 비교하여 명확히 나타낸 것이다. 여기서 시작점은, 바람직하게는 층 형성 기술로 제조된 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이다. 위쪽에 나타나 있는 바와 같이, 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)이 종래 기술에 알려져 있는 방법에 따라 즉시 겔화되면, 그 구조물에 존재하는 용매 때문에 겔화 용액은 3D 층상 하이드로겔 구조물의 내부 안으로 단지 서서히 침투 또는 확산될 수 있다. 따라서, 냉동 영역은 겔화로 안정화되기 전에 해동될 수 있다. 그 결과, 상우측 이미지에 개략적으로 나타나 있는 바와 같이, 이들 영역에서 구조의 손실이 일어난다. 이 문제는, 아래쪽에 나타나 있는 바와 같이, 건조 단계에 의해 큰 정도로 회피될 수 있다. 여기서 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)은 먼저 예컨대 냉동 건조로 건조되며, 이 냉동 건조 동안에, 구조물에 존재하는 용매가 빠져 나가게 된다. 이어지는 겔화에서, 겔화제, 예컨대 BaCl2가 구조물에 균일하게 또한 가능한 한 방해받지 않고 침투할 수 있다. 이 결과, 하우측 이미지에 나타나 있는 바와 같이, 내부의 미세한 세공 구조도 유지된다.
도 5는 지금까지 종래 기술에 알려져 있는 방법(위쪽)과 본 발명의 실시 형태(아래쪽)에 따라 제조된 실제 3D 하이드로겔 구조물의 사진과 현미경 사진의 비교를 나타낸다. 여기서 이미지(A1)는 3D 압력 및 이어지는 겔화로 준비된, 즉 종래 기술에 알려져 있는 바와 같은 방법으로 준비된 하이드로겔 구조물을 나타낸다. 이와 관련하여, 화살표는 너무 빠른 해동 과정으로 인한 앞에서 언급된 구조의 손실을 나타내고, 그 구조의 손실은 이미지(A2)에서 확대되어 나타나 있다. 용해 과정에 의한 액화 및 관련된 압축 때문에 이 영역에서 더 이상 존재하지 않는 다공성 구조물에서는, 여기서 세포의 성장은 거의 가능하지 않다. 이와는 대조적으로, 이미지(A3)는, 충분히 높은 (원하는) 공극률이 여전히 존재하는 동일한 샘플의 영역을 나타낸다. 균일한 하이드로겔 구조물 처리량을 얻기 위해, 본 발명에 따른 방법은 추가적인 겔 건조 단계를 포함한다. 3D 프린팅에 의해 제조되고 그 다음에 건조(여기서는 냉동 건조)되고 겔화된 대응하는 3D 하이드로겔 구조물이 이미지(B1)에 나타나 있다. 4배 확대된 이미지(B2) 및 10배 확대된 이미지(B3)에서 볼 수 있는 바와 같이, 샘플은, 어떤 압축 영역도 나타남이 없이, 전체 구조물에 걸쳐 충분히 높은 공극률을 갖는다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(10)를 개략적으로 나타낸다. 이와 관련하여, 본 장치(10)(3D 프린팅 장치라고도 함)는 액체 재료, 바람직하게는 액체 하이드로겔 용액의 계량 방출을 위한 가열 가능한 투여 바늘(7)을 갖는 프린트 헤드(2)를 포함한다. 이를 위해, 액체 재료는 예컨대 공기 압력에 의해 그 가열 가능한 투여 바늘(7) 밖으로 밀려 나갈 수 있다. 더욱이, 장치(10)는 열절연 트레이(6)를 포함하는데, 저온 가스, 예컨대, -50℃의 저온 질소 가스가 그 트레이 안으로 공급된다. 특히 바람직하게는, 안으로 공급되는 저온 가스의 온도는 가변적으로 조절될 수 있다. 이를 위해, 열절연 트레이(6)는, 가능한 한 수평으로 배향되는 플레이트(8)에 위치될 수 있다. 또한 장치(10)는, 샘플 캐리어(4)와 위치 지정 장치(5)를 수용하는 그리드형 지지부(3)(열절연 트레이(6) 내부에 배치됨)를 포함하고, 그 위치 지정 장치는 3개의 공간 방향으로 지지부(3)에 대한 프린트 헤드(2)의 상대 위치를 변화시키도록 구성된다. 본 경우에, 위치 지정 장치(5)는 안내 기구를 갖는 포탈(portal)형 구조물로 되어 있고, 그 안내 기구는 고정된 지지부(3) 또는 고정된 샘플 캐리어(4)에 대한 프린트 헤드(2)의 상대 운동을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 냉동 3D 하이드로겔 구조물을 제조하기 위해 새료운 재료 층, 바람직하게는 하이드로겔 용액 층이, 각 경우에, 제어 장치(더 상세히는 나타나 있지 않음)를 통한 위치 지정 장치(5)의 적절한 제어로, 이전애 도포된 그리고 이미 가능한 한 냉동된 층 상으로 도포될 수 있다.
도 7은 도 6에 나타나 있는 장치(10)의 일부분을 상세히 나타낸 것이다. 여기서 특히 그리드형 지지부(3) 및 열절연 트레이(6)를 참조해야 한다. 이와 관련하여, 열절연 트레이는 2개의 층(6a, 6b)(내부 층 및 외부 층)으로 이루어지며, 각 층(6a, 6b)은 일측(본 경우에는 정상부)에서 개방되어 있는 중공 블럭을 형성한다. 더 외측에 있는 층(6a)은 더 내측에 있는 층(6b) 보다 낮은 열전도성을 갖는다. 다시 말해, 외부 층(6a)은 열을 내부 층(6b) 보다 더 불량하게 전도하는데, 즉, 외부 층은 열을 내부 층(6b) 보다 더 잘 절연한다. 더욱이, 여기서 두 층(6a, 6b) 각각은 예컨대 상이한 두께를 갖는데, 하지만, 두 층(6a, 6b)은 또한 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 동일한 두께를 가질 수 있다. 내부 층(6b)에는, 샘플 캐리어(4)를 수용하는 그리드형 지지부(3)가 또한 체결되어 있다. 본 경우에, 이 자기(self) 지지식 구조물은 직사각형 프로파일을 갖는 서로 평행하게 배치되는 복수의 지지 바아를 포함한다. 열절연 트레이(6)의 내부 층(6b)과 마찬가지로, 각각의 지지 바아는, 이 지지 바아 상에 놓여 있는 샘플 캐리어(4)가 열에 대한 충분한 연결을 갖는 것을 보장하기 위해 열을 가능한 한 잘 전도하는 재료로 만들어진다. 지지부(3)의 그리드형 구조물은, 먼저, 샘플 캐리어(4)에 대한 양호한 기계적 유지를 제공하고, 둘째, 열절연 트레이(6)를 통해 흐르는 저온 가스의 이동을 가능한 한 적게 방해한다. 동시에, 외부 층(6a)은 주변 환경으로부터 내부 공간의 최선의 가능한 열절연을 보장한다.
본 발명은 특정한 예시적인 실시 형태를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이, 다양한 변경이 이루어질 수 있고 또한 등가물이 대체물로서 사용될 수 있음이 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명은 개시된 예시적인 실시 형태에 한정되지 않고, 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 모든 예시적인 실시 형태를 포함한다. 특히, 본 발명은 종속 청구항의 주제 및 특징에 대한 보호를 피인용 청구항에 독립적으로 주장한다.

Claims (33)

  1. 층 형성(layer build-up) 기술로 3차원(3D) 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법으로서,
    - 액체 하이드로겔 용액(liquid hydrogel solution) 및 샘플 캐리어(4)를 제공하는 단계(S1);
    - 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)을 제조하기 위해, 온도가 상기 하이드로겔 용액의 어는점 아래인 온도 환경에서 액체 하이드로겔 용액을 상기 샘플 캐리어(4) 상으로 적층식으로(layerwise) 도포하는 단계(S2); 및
    - 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 제조하기 위해 상기 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)을 건조하는 단계(S3)를 포함하며,
    상기 적층식으로 도포하는 단계(S2)는 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(10)로 수행되며, 이 장치는,
    - 액체 하이드로겔 용액의 계량 방출을 위한 프린트 헤드(2);
    - 상기 샘플 캐리어(4)를 수용하는 지지부(3); 및
    - 3개의 공간 방향으로 상기 지지부(3)에 대한 프린트 헤드(2)의 상대 위치를 변화시키도록 구성되어 있는 위치 지정 장치(5)를 포함하며,
    상기 적층식으로 도포하는 단계(S2)에서 상기 3D 하이드로겔 구조물의 제1 세공 특성이 적어도 하나의 제1 작업 파라미터로 조절되며,
    상기 적어도 하나의 제1 작업 파라미터는 상기 프린트 헤드(2)와 샘플 캐리어(4) 사이의 간격 및 프린트 헤드(2)와 하이드로겔 용액의 마지막 도포 층 사이의 간격 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 하이드로겔 용액(liquid hydrogel solution)은 알긴산염 용액(alginate solution)인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 건조하는 단계(S3)는 감소된 압력에서 상기 냉동 3D 층상 하이드로겔 구조물(1a)에서 나온 냉동 수(frozen water)의 적어도 일부분의 냉동 건조 및 승화 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 건조하는 단계(S3)는 적외선(IR) 건조 또는 임계점 건조법(critical-point drying)을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건조하는 단계(S3)에서 상기 3D 하이드로겔 구조물의 제2 세공 특성이 적어도 하나의 제2 작업 파라미터로 조절되는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 3D 하이드로겔 구조물의 제1 및 제2 세공 특성 중 적어도 하나는,
    a) 세공 분포(pore distribution);
    b) 공극률(porosity);
    c) 평균 세공 크기;
    d) 평균 세공 배향;
    e) 평균 세공 형상; 및
    f) 평균 세공 부피 중 적어도 하나인 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 작업 파라미터는,
    a) 온도 환경의 온도;
    b) 온도 환경의 온도 분포 및 온도 구배 중 적어도 하나;
    c) 액체 하이드로겔 용액이 샘플 캐리어 상에 도포되는 분위기의 조성;
    d) 액체 하이드로겔 용액의 농도;
    e) 액체 하이드로겔 용액의 점도; 및
    f) 적층식 도포의 속도 중 적어도 하나
    를 포함하는 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 작업 파라미터는,
    a) 주변 온도;
    b) 주변 압력; 및
    c) 건조 과정의 지속 시간 중 적어도 하나
    를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    - 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 기계적으로 구조화하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기계적으로 구조화하는 단계는,
    a) 채널이 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b) 안으로 용해되거나, 뚫리거나, 용해되고 뚫리는 단계,
    b) 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)의 표면이 거칠게 되거나, 연삭되거나, 거칠게 되고 연삭되는 단계,
    c) 규정된 형상이 스탬프(stamp)에 의해 상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b) 안으로 압입되는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    - 상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 건조 환경, 또는 보호 가스 분위기, 또는 건조 환경 및 보호 가스 분위기에서 저장하는 단계;
    - 상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 극저온 환경에서 저장하는 단계; 및
    - 상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 액체로 습윤시키는 단계 중 적어도 하나의 단계로 특징지어지는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 극저온 환경에서 저장하는 단계는 -100℃ 미만의 온도를 갖는 극저온 환경에서 저장하는 단계인 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 액체로 습윤시키는 단계는 물로 습윤시키는 단계인 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    - 다가 양이온에 의해 화학적 가교 결합을 통해 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 겔화하는 단계; 및
    - 단백질과 세포 중 적어도 하나로 다공성 3D 하이드로겔 구조물(1b)을 코팅하는 단계 중 적어도 하나의 단계로 특징지어지는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다가 양이온은 Ba2+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ 및 Sr2+ 중에서 선택된 적어도 하나의 양이온인 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 단백질은 세포외 기질(extracellular matrix)의 단백질인 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 세포는 인간 세포인 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 액체 하이드로겔 용액은 다음과 같은 첨가제, 즉
    - 세공 형성에 영향을 주는 세공 유도물질(porogen),
    - 팽화제(bulking agent),
    - 계면활성제,
    - 폴리에틸렌 글리콜,
    - 단백질,
    - 세포,
    - 콜라겐 및 젤라틴 중 적어도 하나,
    - 수용액, 및
    - 다가 양이온에 의한 화학적 가교 결합을 위한 겔화제
    중의 적어도 하나를 함유하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 세공 유도물질은 소금 결정인 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 단백질은 세포외 기질의 단백질인 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 세포는 인간 세포인 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 수용액은 설탕 용액, 소금 용액 또는 설탕 및 소금 용액인 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 액체 하이드로겔 용액은, 화학적으로 유도되는 가교 결합으로 겔화되는 제1 첨가제 및 열적으로 유도되는 가교 결합으로 겔화되는 제2 첨가제를 함유하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 첨가제는 콜라겐인 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 제2 첨가제는 젤라틴인 방법.
  26. 3차원 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치(10)로서,
    - 액체 재료의 계량 방출을 위한 프린트 헤드(2);
    - 저온 가스가 공급되도록 구성되어 있는 열절연 트레이(6);
    - 상기 열절연 트레이(6) 내부에 배치되며 샘플 캐리어(4)를 수용하는 지지부(3);
    - 3개의 공간 방향으로 상기 지지부(3)에 대한 프린트 헤드(2)의 상대 위치를 변화시키도록 구성되어 있는 위치 지정 장치(5); 및
    - 제1항 내지 제25항 중 적어도 하나의 방법을 수행하도록, 상기 프린트 헤드(2)와 상기 위치 지정 장치(5)를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 장치(10).
  27. 제26항에 있어서,
    상기 액체 재료는 액체 하이드로겔 용액인 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 저온 가스는 질소인 장치.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 지지부는 그리드형인 장치.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 프린트 헤드(2)는 투여 바늘(7)을 포함하고, 이 투여 바늘은 액적 형성을 방지하기 위해 소수성 재료 또는 코팅으로 둘러싸여 있는 장치.
  31. 제26항에 있어서,
    상기 열절연 트레이(6)는 2개의 층(6a, 6b)으로 이루어지며, 제1 층(6a)은 제2 층(6b) 보다 낮은 열전도성을 가지는 장치.
  32. 제26항에 있어서,
    공급되는 상기 저온 가스의 온도는 가변적으로 조절될 수 있는 장치.
  33. 제26항에 있어서,
    상기 샘플 캐리어(4)는 유리로 만들어지는 장치(10).
KR1020217007479A 2018-09-14 2019-08-28 3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치 KR102515157B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18194428.1A EP3623136B1 (en) 2018-09-14 2018-09-14 Method for producing three-dimensional hydrogel structures and device for the layerwise building-up of such hydrogel structures
EP18194428.1 2018-09-14
PCT/EP2019/072999 WO2020052981A1 (en) 2018-09-14 2019-08-28 Method for producing three-dimensional hydrogel structures and device for the layerwise building-up of such hydrogel structures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210059717A KR20210059717A (ko) 2021-05-25
KR102515157B1 true KR102515157B1 (ko) 2023-03-28

Family

ID=63579278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217007479A KR102515157B1 (ko) 2018-09-14 2019-08-28 3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210283847A1 (ko)
EP (2) EP3623136B1 (ko)
JP (1) JP7154394B2 (ko)
KR (1) KR102515157B1 (ko)
CN (1) CN112689558A (ko)
WO (1) WO2020052981A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113486454B (zh) * 2021-09-07 2021-11-09 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种液滴的目标释放位置的计算方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017066727A1 (en) * 2015-10-15 2017-04-20 The Regents Of The University Of California Systems, apparatus and methods for cryogenic 3d printing

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE323132T1 (de) 1998-11-24 2006-04-15 Dow Global Technologies Inc Eine zusammensetzung enthaltend einen vernetzbaren matrixpercursor und eine porenstruktur bildendes material und eine daraus hergestellte poröse matrix
US20080020049A1 (en) * 2005-02-25 2008-01-24 Andrew Darling Super-sparger microcarrier beads and precision extrusion deposited poly-epsilon-caprolactone structures for biological applications
WO2006091921A2 (en) * 2005-02-25 2006-08-31 Drexel University Super-sparger microcarrier beads and precision extrusion deposited poly-epsilon-caprolactone structures for biological applications
CN100404080C (zh) * 2006-03-24 2008-07-23 清华大学 一种基于仿生过程的水凝胶快速成形工艺方法
EP2679669A1 (en) 2012-06-26 2014-01-01 ETH Zurich Fabrication of three-dimensional hydrogel objects
DE102012024105A1 (de) * 2012-12-10 2014-06-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kryo-Lagereinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb
US11903612B2 (en) * 2013-11-04 2024-02-20 University Of Iowa Research Foundation Bioprinter and methods of using same
US10265911B1 (en) * 2015-05-13 2019-04-23 Marvell International Ltd. Image-based monitoring and feedback system for three-dimensional printing
KR101982328B1 (ko) * 2015-08-31 2019-05-24 셀링크 에이비 3d 프린터 및 바이오프린터용 클린 챔버 기술
CN107041971A (zh) * 2016-09-19 2017-08-15 盐城工业职业技术学院 一种基于三维打印的蚕丝蛋白/明胶支架材料及其制备方法
CN109996566A (zh) * 2016-10-18 2019-07-09 奥尔胡斯大学 打印的透明质酸支架
GB201700368D0 (en) 2017-01-10 2017-02-22 ECOLE POLYTECHNIQUE FéDéRALE DE LAUSANNE Cryogel 3D scaffolds and methods for producing thereof
CN107320780B (zh) * 2017-06-27 2020-04-28 上普博源（北京）生物科技有限公司 一种中空管结构的多层水凝胶及其制备方法与应用

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017066727A1 (en) * 2015-10-15 2017-04-20 The Regents Of The University Of California Systems, apparatus and methods for cryogenic 3d printing

Also Published As

Publication number Publication date
EP3623136C0 (en) 2023-11-29
CN112689558A (zh) 2021-04-20
EP3623136B1 (en) 2023-11-29
EP3849777A1 (en) 2021-07-21
JP2022512547A (ja) 2022-02-07
JP7154394B2 (ja) 2022-10-17
EP3623136A1 (en) 2020-03-18
WO2020052981A1 (en) 2020-03-19
KR20210059717A (ko) 2021-05-25
US20210283847A1 (en) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11584066B2 (en) Systems, apparatus and methods for cryogenic 3D printing
Ouyang et al. Void‐free 3D bioprinting for in situ endothelialization and microfluidic perfusion
US6447701B1 (en) Method for producing porous structures
Madaghiele et al. Collagen‐based matrices with axially oriented pores
Mao et al. Structure and properties of bilayer chitosan–gelatin scaffolds
US8722749B2 (en) Method for producing hydrocolloid foams
KR102515157B1 (ko) 3차원 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 방법 및 이러한 하이드로겔 구조물을 적층식으로 형성하기 위한 장치
JP2008255298A (ja) フィブロインスポンジ体及びその製造方法
Lozinsky et al. Study of cryostructuring of polymer systems. 33. Effect of rate of chilling aqueous poly (vinyl alcohol) solutions during their freezing on physicochemical properties and porous structure of resulting cryogels
US11639021B2 (en) Method and device for producing vasculature through extrusion-based 3D printing
Goh et al. Fabrication and characterization of porous poly (l-lactide) scaffolds using solid–liquid phase separation
Hills et al. NMR studies of calcium induced alginate gelation. Part II. The internal bead structure
JP3858069B2 (ja) 多孔質セラミックスインプラント材料およびその製造方法
Feng et al. Preparation of ice microspheres and their application in the preparation of porous poly (l-lactic acid)(PLLA) scaffolds
CN207586232U (zh) 一种土体微观结构测试试样的快速冷冻及保存装置
Preciado et al. Utilization of directional freezing for the construction of tissue engineering scaffolds
JP2001058885A (ja) 多孔質セラミックスの製造方法及び製造装置
Jaya et al. Compressive characteristics of cellular solids produced using vacuum-microwave, freeze, vacuum and hot air dehydration methods
JPH0654899A (ja) 二層性蛋白質シ−トの製造方法
US20240156083A1 (en) Cryobioprinting for tissue fabrication and storage
KR100844016B1 (ko) 드라이아이스를 이용한 다공성 고분자 스캐폴드의 제조방법
Sannino et al. Tuning the porosity of collagen-based scaffolds for use as nerve regenerative templates
WO2006059090A1 (en) Polymer scaffold
CN118219553A (zh) 一种冷冻场生物3d打印成型装置及其应用
CN114103099A (zh) 一种基于低温生物3d打印的聚乙内酯-水凝胶同轴支架制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant