KR20190124281A - 섬유 구조물을 인쇄하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한, 그리고 디지털 파일로부터 3차원(3D) 생물학적 구조물을 제조하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 섬유는 살아 있는 세포를 포함한다. 본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한 프린트 헤드를 더 포함하고, 프린트 헤드는 원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널; 분배 채널의 근위 말단에서 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 위치에서 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함한다. 프린트 헤드는 깨끗한 꼬리 말단을 갖는 섬유 구조물을 종결시키도록 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된다.
Description
본 발명은 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템 및 방법, 및 디지털 파일로부터의 구조물의 3차원(3D) 인쇄에 관한 것이다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 섬유는 살아 있는 세포를 포함한다.
조직 엔지니어링 기술은 오랫동안 많은 재료 및 방법을 사용하여 살아 있는 기관 및 조직을 모방하고/하거나 대체할 수 있는 실행 가능한 합성 구조물을 제작하도록 추구하였다. 역사적으로, 세포 및 다른 생물학적 재료는 원하는 구조물을 부여하는 프리폼드 3차원 스캐폴드로 시딩되고, 스캐폴드는 바람직하게는 생체분해 가능하거나 그렇지 않으면 제거 가능하다. 예를 들어, 미국 특허 제6,773,713호를 참조한다.
더 최근에, 적층 가공(additive manufacturing)의 형태인 3D 인쇄는 직접적으로 디지털 파일로부터 3차원 물체를 생성하도록 적용되었고, 여기서 물체는 원하는 3차원 구조물을 달성하도록 다층으로(layer-by-layer) 지어진다. 3D 바이오인쇄라 칭하는, 무세포 및 세포 작제물 및 조직의 생성에 대한 3D 인쇄 기법을 채택하려는 초기 노력은 직접적인 시딩 또는 후속하는 세포 재료의 인쇄와 독립적으로 스캐폴드 재료의 초기 인쇄에 초점을 두었다. 예를 들어, 미국 특허 제6,139,574호; 제7,051,654호; 제8,691,274호; 제9,005,972호 및 제9,301,925호를 참조한다.
불행하게도, 3D 바이오인쇄에 사용된 기존의 시스템 및 장치는 원하는 3D 구조물의 부정확성 또는 왜곡을 발생시키는 다양한 단점을 겪는다. 구체적으로, 부정확한 개시 및/또는 인쇄 공정의 중단은 인쇄된 섬유 및 3D 구조물의 치수를 왜곡하는 리딩 및/또는 트레일링 섬유를 형성시킬 수 있다. 그러므로, 인쇄 공정의 개시 및 중단의 더 단호한 제어를 통해 3D 물체의 높은 충실도 복제품을 달성할 수 있는 시스템 및 장치에 대한 수요가 존재한다. 본 발명은 이들 및 다른 충족되지 않은 수요를 해결한다.
본 명세서에 수록된 모든 선행 기술 참조문헌은 그 전문이 참고로 포함된다.
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한, 그리고 디지털 파일로부터 3차원(3D) 구조물을 제조하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 섬유는 살아 있는 세포를 포함한다.
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한 프린트 헤드를 포함하고, 프린트 헤드는 원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴(converging)되는 1개 이상의 재료 채널; 분배 채널의 근위 말단에서 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스(sheath) 유체 수렴 위치에서의 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하고; 1개 이상의 재료 채널, 완충 용액 채널 및 쉬스 용액 채널은 분배 채널과 유체 연통하고; 프린트 헤드는 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 제1 재료 채널 및 제2 재료 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 분기 위치에서 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널로 분기한다. 몇몇 실시형태에서, 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널은 쉬스 유체 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴된다. 몇몇 실시형태에서, 1개 이상의 재료 채널의 각각은 재료 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액 채널은 완충 용액 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 쉬스 용액 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함한다.
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템을 포함하고, 상기 시스템은 원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널; 분배 채널의 근위 말단에서 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서의 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하는 프린트 헤드(여기서, 1개 이상의 재료 채널, 완충 용액 채널 및 쉬스 용액 채널은 분배 채널과 유체 연통하고; 프린트 헤드는 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성됨); 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 및 3D 공간에서 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품(positioning component)(여기서, 배치 부품은 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합됨)을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 시스템은 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 프린트 헤드로부터 분배된 과량의 유체를 제거하도록 구성된 유체 제거 부품(fluid removal component)을 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 제거 부품은 과량의 유체의 통과를 허용하도록 구성된 다공성 막을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 제거 부품은 흡수성 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 제거 부품은 과량의 유체를 흡인시키도록 구성된 진공을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 진공은 수용 표면 아래에서 인가된다. 몇몇 실시형태에서, 진공은 수용 표면 위에서 인가된다. 몇몇 실시형태에서, 진공은 프린트 헤드에서 1개 이상의 진공 채널을 통해 인가된다. 몇몇 실시형태에서, 1개 이상의 진공 채널은 프린트 헤드에서 분배 오리피스 근처에 배치된다.
몇몇 실시형태에서, 시스템은 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 조절하도록 구성된 압력 제어 부품을 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 프린트 헤드와 유체 연통하는 1개 이상의 유체 저장소를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 저장소는 쉬스 용액을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액은 유입 재료를 고화시키도록 구성된 가교결합 용액을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 가교결합 용액은 2가 양이온을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 2가 양이온은 Ca++이다. 몇몇 실시형태에서, 유체 저장소는 완충 용액을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액은 유입 재료와 혼화성이다. 몇몇 실시형태에서, 유체 저장소는 유입 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 하이드로겔을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 알기네이트를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 알기네이트는 탈중합된 알기네이트이다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 하나 이상의 살아 있는 세포를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 과량의 세포 매트릭스 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 활성제를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 분배 채널을 통해 일정한 질량 유속을 제조하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 시스템은 가교결합 부품을 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 가교결합 부품은 UV 램프를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 가교결합 부품은 분배 오리피스에 인접하게 배치된다.
본 발명의 양태는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템을 제공하는 단계(상기 시스템은 원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널; 분배 채널의 근위 말단에서 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하는 프린트 헤드(여기서, 1개 이상의 재료 채널, 완충 용액 채널 및 쉬스 용액 채널은 분배 채널과 유체 연통하고; 프린트 헤드는 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성됨); 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 3D 공간에서 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품(여기서, 배치 부품은 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합됨); 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서; 제1 유입 재료를 포함하는 제1 유체 저장소; 완충 용액을 포함하는 제2 유체 저장소; 및 가교결합 용액을 포함하는 쉬스 용액을 포함하는 제3 유체 저장소를 포함하고; 유체 저장소는 프린트 헤드와 유체 연통함); 분배 채널에서 제1 유입 재료를 쉬스 용액을 접촉시켜서 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계; 및 프린트 헤드의 분배 오리피스로부터 고화된 섬유 구조물을 분배하는 단계를 포함한다.
본 발명의 양태는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템을 제공하는 단계(상기 시스템은 원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널; 분배 채널의 근위 말단에서 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서의 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널; 및 가교결합 부품을 포함하는 프린트 헤드(여기서, 1개 이상의 재료 채널, 완충 용액 채널 및 쉬스 용액 채널은 분배 채널과 유체 연통하고; 프린트 헤드는 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성됨); 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 3D 공간에서 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품(여기서, 배치 부품은 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합됨); 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서; 제1 유입 재료를 포함하는 제1 유체 저장소; 완충 용액을 포함하는 제2 유체 저장소; 및 가교결합 용액을 포함하는 쉬스 용액을 포함하는 제3 유체 저장소를 포함하고; 유체 저장소는 프린트 헤드와 유체 연통함); 분배 채널을 통해 제1 유입 재료를 통과시키는 단계; 제1 유입 재료를 가교결합 부품에 의해 가교결합시켜서 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계; 및 프린트 헤드의 분배 오리피스로부터 고화된 섬유 구조물을 분배하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 제1 유입 재료는 분배 채널에서 가교결합된다. 몇몇 실시형태에서, 가교결합 부품은 분배 오리피스에 인접하게 배치되고, 제1 유입 재료는 분배 오리피스로부터 분배되므로 가교결합된다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 인쇄되는 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 평면 구조물에 의해 암호화하는 단계; 및 고화된 섬유 구조물의 제1 층을 수용 표면에 침착시켜서 평면 구조물을 인쇄하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 인쇄되는 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 3D 구조물에 의해 암호화하는 단계; 및 고화된 섬유 구조물의 후속하는 층을 평면 구조물의 상부에 침착시켜서 3D 구조물을 인쇄하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 분배 채널에서 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하여서 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 중지시키는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널에서 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하는 단계는 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 분배 채널에서 완충 용액을 유입 재료에 의해 대체하여서 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 시작시키는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널에서 완충 용액을 유입 재료에 의해 대체하는 단계는 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 시스템은 제2 유입 재료를 포함하는 제4 유체 저장소를 더 포함하고, 방법은 제2 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 분배 채널에서 제1 유입 재료를 제2 유입 재료에 의해 대체하여서 제1 유입 재료로부터의 제2 유입 재료로의 이행을 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널에서 제1 유입 재료를 제2 유입 재료에 의해 대체하는 단계는 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 제1 유입 재료 및 제2 유입 재료의 혼합물을 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하도록 제1 유입 재료 및 제2 유입 재료를 동시에 분배하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 종래의 프린트 헤드 설계의 예시이고, 여기서 인쇄된 섬유의 침착 순서의 중단은 채널이 완충 용액에 의해 플러싱될 때까지 연결지점(junction)에서 및 가교결합제에 대한 연결지점의 약간 상류에 유입 재료를 노출시킨다. 그 결과, 도시된 시스템은 막히기 쉽다.
도 2는 종래의 프린트 헤드 설계의 예시이고, 여기서 인쇄된 섬유의 침착 순서의 시작은 처음에 완충 용액의 풀 용적이 플러싱되고 쉬스 유체(가교결합 용액)에 의해 대체되는 것을 요하고, 이후 유입 재료의 흐름은 재시작될 수 있다. 유입 재료가 너무 이르게 재시작하면, 유입 재료를 완전히 가교결합시키도록 가교결합제의 불충분한 농도가 분배 채널에 존재할 수 있어서, 불량한 섬유 강도를 발생시킨다. 예시에서, 완충 용액은 가교결합제 및 유입 재료의 풀 용적을 대체한다. 그 결과, 재시작 순서는 고정적인 섬유 속도를 유지시키도록 가교결합제와 유입 재료 사이의 조심스런 흐름 제어 및 복잡한 이행을 요한다. 초기에, 가교결합제 용액은 유입 재료로부터 완전히 플러싱되어야 하고, 이후 가교결합제 흐름은 유입 재료의 흐름이 시작하면서 감소한다.
도 3은 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 완충 용액의 일정한 흐름은 가교결합제와의 교차점에서 및 분배 채널에서 유입 재료를 완전히 대체한다. 그 결과, 여전히 분배 채널 내에 있는 섬유의 종료 말단은 일정한 유속을 유지시킨다. 프린터의 도구 경로와 스위칭하는 유입 재료 및 완충 용액의 동기화는 의도된 3D 구조물의 높은 충실도 재제작을 허용한다.
도 4는 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 프린터는 층의 하나의 영역으로부터 또 다른 영역으로 이동한다. 영역 사이의 갭에서, 완충제 및 가교결합제는 지속적으로 분배되고, 제거되거나 흡수된다. 프린트 헤드가 다음의 인쇄된 영역에 도달할 때 필요한 섬유는 미리 생성되고, 이의 침착은 도구 경로와 동기화되어서 적절한 배치를 보장한다. 이 구성은 가교결합제가 흐르고 분배 채널에 존재하면서 섬유 침착의 신속한 재시작을 허용한다. 재시작된 섬유의 유속은 완충제의 용적측정 유속을 정확히 대체하도록 보정되고, 새로운 섬유의 잔잔하고 일관된 흐름을 허용한다. 그 결과, 출현하는 섬유의 배치는 복잡한 3D 구조물의 높은 충실도 재제조에 대한 도구 경로와 용이하게 조직화될 수 있다.
도 5는 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 프린터는 이동하면서, 완충제 및 1종 이상의 유입 재료는 순차적으로 스위칭되어서, 가교결합된 섬유(즉, 고화된 섬유)의 단리된 섹션이 침착되게 한다.
도 6은 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태는 각각 제어 밸브를 갖는 4개의 상이한 재료 유입을 보여준다. 이 실시형태에서, 4개 중 어느 재료가 분배되는지를 결정하도록 4개의 재료 유입의 각각 사이에 교대시킬 수 있다.
도 2는 종래의 프린트 헤드 설계의 예시이고, 여기서 인쇄된 섬유의 침착 순서의 시작은 처음에 완충 용액의 풀 용적이 플러싱되고 쉬스 유체(가교결합 용액)에 의해 대체되는 것을 요하고, 이후 유입 재료의 흐름은 재시작될 수 있다. 유입 재료가 너무 이르게 재시작하면, 유입 재료를 완전히 가교결합시키도록 가교결합제의 불충분한 농도가 분배 채널에 존재할 수 있어서, 불량한 섬유 강도를 발생시킨다. 예시에서, 완충 용액은 가교결합제 및 유입 재료의 풀 용적을 대체한다. 그 결과, 재시작 순서는 고정적인 섬유 속도를 유지시키도록 가교결합제와 유입 재료 사이의 조심스런 흐름 제어 및 복잡한 이행을 요한다. 초기에, 가교결합제 용액은 유입 재료로부터 완전히 플러싱되어야 하고, 이후 가교결합제 흐름은 유입 재료의 흐름이 시작하면서 감소한다.
도 3은 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 완충 용액의 일정한 흐름은 가교결합제와의 교차점에서 및 분배 채널에서 유입 재료를 완전히 대체한다. 그 결과, 여전히 분배 채널 내에 있는 섬유의 종료 말단은 일정한 유속을 유지시킨다. 프린터의 도구 경로와 스위칭하는 유입 재료 및 완충 용액의 동기화는 의도된 3D 구조물의 높은 충실도 재제작을 허용한다.
도 4는 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 프린터는 층의 하나의 영역으로부터 또 다른 영역으로 이동한다. 영역 사이의 갭에서, 완충제 및 가교결합제는 지속적으로 분배되고, 제거되거나 흡수된다. 프린트 헤드가 다음의 인쇄된 영역에 도달할 때 필요한 섬유는 미리 생성되고, 이의 침착은 도구 경로와 동기화되어서 적절한 배치를 보장한다. 이 구성은 가교결합제가 흐르고 분배 채널에 존재하면서 섬유 침착의 신속한 재시작을 허용한다. 재시작된 섬유의 유속은 완충제의 용적측정 유속을 정확히 대체하도록 보정되고, 새로운 섬유의 잔잔하고 일관된 흐름을 허용한다. 그 결과, 출현하는 섬유의 배치는 복잡한 3D 구조물의 높은 충실도 재제조에 대한 도구 경로와 용이하게 조직화될 수 있다.
도 5는 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태에서, 프린터는 이동하면서, 완충제 및 1종 이상의 유입 재료는 순차적으로 스위칭되어서, 가교결합된 섬유(즉, 고화된 섬유)의 단리된 섹션이 침착되게 한다.
도 6은 본 프린트 헤드의 일 실시형태의 예시이다. 도시된 실시형태는 각각 제어 밸브를 갖는 4개의 상이한 재료 유입을 보여준다. 이 실시형태에서, 4개 중 어느 재료가 분배되는지를 결정하도록 4개의 재료 유입의 각각 사이에 교대시킬 수 있다.
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 제조하기 위한, 그리고 디지털 파일로부터 3차원(3D) 구조를 제조하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 섬유는 살아 있는 세포를 포함한다.
정의:
본 명세서를 해석하는 것의 목적을 위해, 하기 정의가 적용될 것이고, 적절할 때마다, 단수로 사용된 용어는 또한 복수를 포함하고 그 반대일 것이다. 기재된 임의의 정의가 본 명세서에 참고로 포함된 임의의 문헌과 상충하는 경우에, 하기 정의가 우세해야 한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "대체한다"는 소정의 위치로부터 제2 재료 또는 유체를 제거하는 제1 재료 또는 유체의 능력을 의미한다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 완충 용액은 분배 채널 내의 위치로부터(예를 들어, 분배 채널의 근위 말단으로부터) 유입 재료를 대체하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 대체는 즉각적인 대체이고, 이는 약 1초 미만, 예컨대 약 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 또는 100밀리초 이하에 발생한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "혼화성"은 배합될 때 균질한 혼합물을 형성하는 2개의 상이한 액체의 능력을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "질량 유속"은 시간의 단위당 소정의 위치를 통과하는 물질의 질량을 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "일정한 질량 유속"은 시간의 단위당 일정하게 있는 질량 유속을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "고화된"은 침착 시 이의 형상 충실도 및 구조 통합성을 유지하는 재료의 고체 또는 반고체 상태를 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "형상 충실도"는 유의미한 분산 없이 이의 3차원 형상을 유지시키는 재료의 능력을 의미한다. 몇몇 실시형태에서, 고화된 재료는 약 30초 이상, 예컨대 약 1분, 10분 또는 30분 이상, 예컨대 약 1시간, 10시간, 24시간 또는 48시간 이상의 시간의 기간 동안 이의 3차원 형상을 유지시키는 능력을 갖는 것이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "구조 통합성"은, 파괴 또는 벤딩에 저항하면서, 그 자체의 중량을 포함하여, 로딩 하에 함께 보유되는 재료의 능력을 의미한다.
몇몇 실시형태에서, 고화된 조성물은 약 5, 10, 15, 20 또는 25킬로파스칼(kPa) 초과, 더 바람직하게는 약 30, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90kPa 초과, 더욱 더 바람직하게는 약 100, 110, 120 또는 130kPa 초과의 탄성 모듈러스를 갖는 것이다. 바람직한 탄성 모듈러스 범위는 약 5, 10, 15, 20, 25 또는 50Pa 내지 약 80, 100, 120 또는 140kPa를 포함한다. 본 발명에 따르면, 유입 재료의 탄성 모듈러스는 유리하게는 유입 재료의 의도된 기능에 따라 변할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 더 낮은 탄성 모듈러스는 세포 성장 및 이동을 지지하도록 이용되는 한편, 다른 실시형태에서, 훨씬 높은 탄성 모듈러스를 이용할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "네이티브 알기네이트 중합체"는 하나 이상의 천연 소스(예를 들어, 갈조류 또는 해초의 하나 이상의 종)로부터 단리되고 정제된 알기네이트 중합체를 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "탈중합시킨다"는 중합체 사슬을 단량체 또는 다른 더 작은 단위로 파괴하는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "하이드로겔"은 물을 포함하는 조성물 및 친수성인 중합체 사슬의 네트워크 또는 격자를 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "쉬스 유체" 또는 "쉬스 용액"은 적어도 부분적으로 재료가 유체 채널을 통해 통과하면서 재료를 엔벨로프 또는 "둘러싸도록" 사용되는 유체를 의미한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 유체는 수성 용매, 예를 들어, 물 또는 글라이세롤을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 유체는 화학 가교결합제를 포함한다. 가교결합제의 비제한적인 예는 2가 양이온(예를 들어 Ca2 +, Ba2+, Sr2+ 등), 트롬빈, 및 pH 변형 화학물질, 예컨대 중탄산나트륨을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바대로, 용어 "과량의 쉬스 유체"는 분배 오리피스로부터 분배되고, 본 명세서에 제공된 시스템 또는 방법 중 하나 이상의 실시형태를 이용하여 인쇄된 섬유 구조물의 일부를 형성하지 않는 쉬스 유체의 부분을 의미한다. 예를 들어, 과량의 쉬스 유체는 프린트 헤드에서의 분배 채널을 통한 그리고 분배 오리피스를 통한 재료(예를 들어, 하이드로겔)의 통과를 윤활시키는 데 유용할 수 있다. 분배 오리피스로부터 분배되면, 과량의 쉬스 유체는 분배된 재료의 층의 표면으로부터 수용 표면으로 흐를 수 있고, 여기서 이것은 수집되거나 풀링될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "채널 길이"는 제1 위치로부터 제2 위치로 유체 채널을 추적할 때 이동한 선형 거리를 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "수렴 각도"(convergence angle)는 수렴되는 2개의 유체 채널 사이에 형성된 각도를 의미한다.
프린트 헤드:
본 발명의 양태는 1개 이상의 섬유 구조물을 제조하도록 사용될 수 있는 프린트 헤드를 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 프린트 헤드는 복수의 상호연결된 유체 채널을 포함하고, 1종 이상의 유입 재료를 포함하는 섬유 구조물을 제조하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 고화된 섬유 구조물을 제조하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 살아 있는 세포를 포함하는 고화된 섬유 구조물을 제조하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 원위 말단 및 근위 말단을 갖는 분배 채널을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 채널은 약 1㎜ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 약 95㎜인 채널 길이를 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 깊이를 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 채널은 임의의 적합한 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 분배 채널은 분배 오리피스를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 분배 오리피스는 분배 채널의 원위 말단에 배치된다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 오리피스는 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 또는 950㎛인 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 분배 오리피스는 임의의 적합한 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 프린트 헤드로부터 재료를 분배하기 위한 오리피스를 포함하는 연장 선단을 더 포함한다. 이러한 연장 선단은, 예를 들어, 멀티웰 플레이트(예를 들어, 6웰, 24웰, 96웰 이상을 갖는 표준 미량역가 플레이트, 멀티웰 플레이트 또는 마이크로플레이트)에서의 웰 또는 페트리 접시와 같은 구속된 영역에서 재료의 정확 분배 및 이의 침착을 수월하게 한다. 몇몇 실시형태에서, 연장 선단은 분배 채널의 부분으로 피팅되도록 구성된 외부 표면 및 분배 채널에 따라 정렬하도록 구성된 내부 표면(관에서의 중공 공간을 획정)을 갖는 (예를 들어, 플라스틱, 유리 또는 금속으로부터 제조된) 관을 포함한다. 연장 선단은 분배 채널로 삽입될 수 있어서, 분배 채널의 길이를 연장시키고, 이는 구속된 공간, 예컨대 웰 플레이트 인서트 또는 페트리 접시로 연장 선단에서의 오리피스로부터 분배된 재료의 침착을 수월하게 한다.
본 발명의 실시형태에 따른 프린트 헤드는 1개 이상의 재료 채널을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 1개 이상의 재료 채널은 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴된다. 몇몇 실시형태에서, 재료 채널은 약 0 내지 약 180°의 범위, 예컨대 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 또는 175°인 수렴 각도에서 분배 채널에 수렴된다. 본 발명의 실시형태에 따른 재료 채널은 임의의 적합한 채널 길이를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 재료 채널은 약 100㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜인 채널 길이를 갖는다. 본 발명의 실시형태에 따른 재료 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 재료 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 깊이를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 제1 재료 채널 및 제2 재료 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 3개 내지 10개의 범위, 예컨대 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 9개의 재료 채널인 다수의 재료 채널을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 재료 채널은 임의의 적합한 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 프린트 헤드는 완충 용액 채널을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 완충 용액 채널은 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴된다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액 채널은 약 0 내지 약 180°의 범위, 예컨대 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 또는 175°인 수렴 각도에서 분배 채널에 수렴된다. 본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액 채널은 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액 채널은 약 100㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜인 채널 길이를 갖는다. 본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 깊이를 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액 채널은 임의의 적합한 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 프린트 헤드는 쉬스 용액 채널을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 분배 채널의 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴된다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 약 0 내지 약 180°의 범위, 예컨대 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 또는 175°인 수렴 각도에서 분배 채널에 수렴된다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널의 근위 말단과 쉬스 수렴 위치 사이의 거리는 약 10㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜이다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널의 원위 말단과 쉬스 수렴 위치 사이의 거리는 약 10㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜이다.
본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액 채널은 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 약 100㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜인 채널 길이를 갖는다. 본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액 채널은 약 10㎛ 내지 약 5㎜의 범위, 예컨대 약 25, 50, 75 또는 100㎛, 또는 예컨대 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0 또는 3.0㎜인 깊이를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 분기 위치에서 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널로 분기한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 채널은 3개 내지 10개, 예컨대 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 9개의 범위인 다수의 쉬스 용액 하위채널로 분기한다. 몇몇 실시형태에서, 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널은 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴된다. 본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액 채널은 임의의 적합한 단면 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 유체 채널은 일반적으로 유체가 채널로 도입될 수 있는 하나 이상의 유입 오리피스를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 채널은 유체 채널을 통한 유체의 흐름을 조정하도록 구성된 제어 밸브를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유입 오리피스와 제어 밸브 사이의 채널 길이는 약 100㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜이다. 몇몇 실시형태에서, 제어 밸브와 채널이 분배 채널에 수렴되는 위치 사이의 채널 길이는 약 100㎛ 내지 약 100㎜의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 또는 95㎜이다.
본 발명의 실시형태에 따른 프린트 헤드는 임의의 적합한 재료, 예를 들어, 플라스틱(예를 들어, 중합체 재료), 유리, 금속, 세라믹 또는 임의의 이들의 조합물(이들로 제한되지는 않음)로 제조될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 광(예를 들어, 자외선(UV) 광)에 적어도 부분적으로 투명한 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 전부 투명한 재료로 제조된다. 소정의 실시형태에서, 분배 채널을 둘러싸거나 이에 직접적으로 인접한 프린트 헤드의 부분은 광에 부분적으로 또는 완전히 투명한 재료를 포함한다. 이러한 프린트 헤드는 광 에너지에 의해 가교결합되도록 구성된 유입 재료(예를 들어, 광 가교결합 가능한 유입 재료)와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 양태는 유입 재료를 가교결합시키도록 전자기 방사선에 광 가교결합 가능한 유입 재료를 노출시키도록 구성된 광 모듈을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 광 모듈은 프린트 헤드로 통합될 수 있거나, 프린팅 시스템의 별개의 부품일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 광 모듈은 유입 재료를 광에 노출시키는 한편, 유입 재료는 분배 채널 내에 있다. 몇몇 실시형태에서, 광 모듈은 유입 재료가 분배 채널로부터 분배된 후 유입 재료를 광에 노출시킨다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 복수의 광 모듈을 포함하고, 여기서 제1 광 모듈은 유입 재료를 광에 노출시키도록 구성되는 한편, 유입 재료 분배 채널 내에 있고, 제2 광 모듈은 유입 재료가 분배 채널로부터 분배된 후 유입 재료를 광에 노출시키도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 광 모듈은 파장, 강도, 노출 시간, 또는 임의의 이들의 조합과 관련하여 조율 가능하다. 몇몇 실시형태에서, 광 모듈은 1개 이상의 선택적으로 체결된 감쇠 필터를 포함하고, 여기서 감쇠 필터는 체결될 때 광 강도를 조정한다. 몇몇 실시형태에서, 광 모듈은 UV 광을 방출하도록 구성되고, 여기서 모듈로부터 방출된 광의 파장은 약 10㎚ 내지 약 400㎚의 범위, 예컨대 약 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350 또는 375㎚이다. 몇몇 실시형태에서, UV 광의 적합한 소스는 비제한적인 예로서 UV 램프, UV 형광성 램프, UV LED, UV 레이저 또는 임의의 이들의 조합을 포함한다.
상기 검토된 바대로, 본 발명의 양태는 분배 채널을 포함하는 프린트 헤드를 포함하고, 여기서 1개 이상의 재료 채널 및 완충 용액 채널은 분배 채널의 근위 말단에서 수렴된다. 본 프린트 헤드는 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하거나, 또는 완충 용액을 1종 이상의 유입 재료에 의해 대체하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액이 1종 이상의 유입 재료를 대체하면서, 또는 1종 이상의 유입 재료가 완충 용액을 대체하면서, 프린트 헤드는 분배 채널을 통해 일정한 질량 유속을 유지시키도록 구성된다. 이 방식으로, 본 프린트 헤드는 분배 채널을 통한 1종 이상의 유입 재료(또는 1종 이상의 유입 재료의 혼합물) 또는 완충 용액의 잔잔하고 지속적인 흐름을 수월하도록 구성된다.
분배 채널을 통한 잔잔하고 지속적인 경로는 분배된 고화된 섬유 구조물에서 깨끗한 말단을 형성하는 능력을 본 프린트 헤드에 부여한다. 예를 들어, 유입 재료가 본 프린트 헤드에서 완충 용액에 의해 대체될 때, 프린트 헤드에 의해 분배되는 섬유 구조물은 트레일링 섬유를 포함하지 않는 깨끗한 꼬리 말단에 의해 종결된다. 유사하게, 완충 용액이 본 프린트 헤드에서 유입 재료에 의해 대체될 때, 프린트 헤드에 의해 제조된 섬유 구조물은 리딩 섬유를 포함하지 않는 깨끗한 출발 말단을 갖는다. 추가적으로, 분배 채널을 통한 잔잔하고 지속적인 흐름은 깨끗한 출발 말단 및 꼬리 말단을 각각 포함하는 복수의 섬유 구조물을 침착시키는 능력을 본 시스템에 부여한다. 이 기능은 본 시스템이 높은 형상 충실도로 섬유 구조물, 평면 구조물 및 3D 구조물을 생성하게 한다.
상기 검토된 바대로, 본 발명의 양태는 분배 채널을 포함하는 프린트 헤드를 포함하고, 여기서 1종 이상의 쉬스 용액 채널은 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴된다. 본 프린트 헤드의 사용 시, 분배 채널을 통해 흐르는 유입 재료는 수렴 위치의 상류에(즉, 이것에 근위로) 완충 용액에 의해 대체될 수 있어서, 1개 이상의 재료 채널에서의 유입 재료와 쉬스 용액 사이의 접촉을 제거한다. 쉬스 용액이 가교결합 용액을 포함하는 실시형태에서, 이 구성은 가교결합 용액이 유입 재료와 접촉시키는 것을 방지함으로써 본 프린트 헤드에서 막힘을 방지하는 한편, 유입 재료는 (즉, 유입 재료가 분배 채널에 진입하고 이를 횡단하도록 시작하기 전에) 재료 채널에 있다.
바람직한 실시형태에서, 프린트 헤드는 근위 말단 및 원위 말단을 갖는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 원위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 2개의 재료 채널(여기서, 각각의 재료 채널은 약 30° 내지 60°, 더 바람직하게는 약 40° 내지 50°, 가장 바람직하게는 약 45°의 수렴 각도를 가짐); 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 완충 용액 채널(여기서, 완충 용액 채널은 0°의 수렴 각도를 가짐); 및 2개의 쉬스 용액 하위채널로 분기하는 쉬스 용액 채널(여기서, 쉬스 용액 하위채널은 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴되고, 약 30° 내지 60°, 더 바람직하게는 약 40° 내지 50°, 가장 바람직하게는 약 45°의 수렴 각도를 가짐)을 포함한다.
또 다른 바람직한 실시형태에서, 프린트 헤드는 근위 말단 및 원위 말단을 갖는 분배 채널; 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스; 분배 채널의 원위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 4개의 재료 채널(여기서, 각각의 재료 채널은 약 20° 내지 90°의 수렴 각도를 가짐), 분배 채널의 근위 말단에서 분배 채널에 수렴되는 완충 용액 채널(여기서, 완충 용액 채널은 0°의 수렴 각도를 가짐); 및 2개의 쉬스 용액 하위채널로 분기하는 쉬스 용액 채널(여기서, 쉬스 용액 하위채널은 수렴 위치에서 분배 채널에 수렴되고, 약 30° 내지 60°, 더 바람직하게는 약 40° 내지 50°, 가장 바람직하게는 약 45°의 수렴 각도를 가짐)을 포함한다.
프린팅 시스템:
본 발명의 양태는 본 방법을 수행하도록 본 프린트 헤드와 함께 작업하도록 구성된 프린팅 시스템 및 연관된 부품을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 본 명세서에 기재된 바와 같은 단일 프린트 헤드를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 본 명세서에 기재된 바와 같은 복수의 프린트 헤드, 예컨대 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개 또는 10개의 개별 프린트 헤드를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 프린팅 시스템으로부터 유체흐름으로 격리되어서, 인쇄 공정에 관여된 모든 유체는 프린트 헤드 내에 격리된 채 있고, 인쇄 공정 동안 오로지 (하기 기재된) 프린팅 시스템의 수용 표면과의 접촉을 만든다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 인쇄 공정에 관여된 유체가 프린팅 시스템의 부품과 접촉하지 않게 하면서 프린팅 시스템에 작동 가능하게 결합되도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 1개 이상의 프린트 헤드는 인쇄 공정 전에, 동안에 그리고/또는 후에 제거되고/되거나 프린팅 시스템에 첨가될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 본 프린트 헤드는 본 프린팅 시스템의 모듈 부품이다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 프린트 헤드의 분배 오리피스로부터 분배된 재료의 제1 층이 침착된 수용 표면을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 고체 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 다공성 재료를 포함한다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 다공성 재료의 다공도는 여기를 통한 유체의 통과를 허용하기에 충분하다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 실질적으로 평면이어서, 분배된 재료의 제1 층이 침착된 평평한 표면을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 프린트되는 3차원 구조물에 상응하는 지형학을 가져서, 비평면 제1 층을 갖는 3차원 구조물의 인쇄를 수월하게 한다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 1개 이상의 진공원으로부터 수용 표면에 석션(suction)을 적용하도록 구성된 진공 부품을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 수용 표면에 석션을 적용하도록 구성된 1개 이상의 진공 채널을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 진공 부품을 포함하는 수용 표면은 인쇄 공정이 수행되기 전, 수행되는 동안 및/또는 수행된 후 수용 표면으로부터 과량의 유체를 흡인시키도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 프린팅 시스템이 1개 이상의 섬유 구조물을 분배하는 비세포독성 표면이다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 프린터 스테이지를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 프린터 스테이지의 표면이다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 프린터 스테이지로부터 분리된 부품이지만, 프린터 스테이지에 고정되거나 이에 의해 지지된다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 평평하거나 실질적으로 평평하다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 평활하거나 실질적으로 평활하다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 실질적으로 평평하면서 실질적으로 평활하다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 인쇄된 구조물의 형상, 크기, 질감 또는 기하구조를 수용하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 인쇄된 구조물의 크기, 형상, 텍스처 또는 기하구조를 제어하거나 이에 영향을 미친다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 프린팅 시스템에 작동 가능하게 결합되도록 구성되지만, 프린팅 시스템으로부터 분리 가능한 1개 이상의 모듈 부품을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 폐기 가능한 수용 표면이다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 살균을 위해 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템의 전체 유체 경로는 폐기 가능하여서, 인쇄 공정에 관여된 하나 이상의 유체와 접촉되는 프린팅 시스템의 모든 부품이 폐기 가능하고, 프린팅 시스템으로부터 제거되고 깨끗한 부품에 대해 교환될 수 있다는 것을 의미한다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 1개 이상의 상이한 수용 용기에 작동 가능하게 결합되도록 구성된다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 원형 수용 용기(예를 들어, 페트리 접시)에 작동 가능하게 결합되도록 사이징된 원형 부분을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 정사각형 또는 직사각형 수용 용기(예를 들어, 멀티웰 플레이트(예를 들어, 6웰 플레이트))에 작동 가능하게 결합되도록 사이징된 정사각형 또는 직사각형 부분을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 수용 표면은 적합한 수용 용기를 수용하도록 임의의 적합한 크기 또는 기하구조를 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 수용 표면의 온도를 조정하도록 구성된 온도 조정 부품을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 주변 온도로 수용 표면의 온도를 조정하고/하거나 유지시킨다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 프린트 헤드, 프린터 스테이지, 수용 표면, 유입 재료, 및/또는 유체(예를 들어, 쉬스 용액 및/또는 완충 용액)의 온도를 조정하고/하거나 유지시킨다.
몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 가열 부재를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 가열기를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 복사 가열기, 대류 가열기, 전도성 가열기, 팬 가열기, 열 교환기, 또는 임의의 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 냉각 부재를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 냉매, 차가운 액체, 얼음, 또는 임의의 이들의 조합물의 용기를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 복사 냉각기, 대류 냉각기, 전도성 냉각기, 팬 냉각기, 또는 임의의 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 온도 조정 부품은 온도를 약 0 내지 약 90℃의 범위, 예컨대 약 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 또는 85℃인 세트 포인트로 조정하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 인쇄된 재료를 수용하도록 프린터 스테이지 또는 수용 표면에 대해 프린트 헤드를 이동시킴으로써 특정한 기하구조를 달성한다. 다른 실시형태에서, 프린팅 시스템은 프린트 헤드에 대해 프린터 스테이지 또는 수용 표면을 이동시킴으로써 특정한 기하구조를 달성한다. 소정의 실시형태에서, 프린팅 시스템의 적어도 부분은 무균 환경에(예를 들어, 생물안전 작업대(biosafety cabinet: BSC) 내에) 유지된다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 전부 무균 환경 내에 피팅되도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 분배 오리피스로부터 분배되고, 분배 오리피스로부터 분배된 재료의 하나 이상의 층으로부터 흐르는 과량의 유체(예를 들어, 과량의 쉬스 유체 및/또는 과량의 완충 용액)를 수용한다.
몇몇 실시형태에서, 시스템은 프린트 헤드의 오리피스로부터 분배된 섬유 구조물이 침착된 수용 표면으로부터 및 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 과량의 유체(예를 들어, 과량의 쉬스 유체 및/또는 과량의 완충 용액)를 제거하기 위한 부품을 포함한다. 인쇄 동안, 과량의 유체가 수용 표면에서 또는 분배된 섬유 구조물의 표면에서 수집되거나 "풀링"될 수 있다. 이러한 풀링은 침착 공정을 방해할 수 있다. 예를 들어, 풀링된 쉬스 유체는 분배된 섬유가 인쇄되는 3D 구조물에서의 이의 의도된 위치로부터 미끄러지게 할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 유체 제거 부품에 의해 수용 표면 및 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터의 과량의 쉬스 유체의 제거는 3차원 구조물의 추가 제조를 개선할 수 있다.
과량의 유체는 유체를 이들 표면으로부터 배수시킴으로써, 이들 표면으로부터 유체의 증발을 허용하거나 수월하게 함으로써 수용 표면 또는 분배된 섬유의 하나 이상의 층의 표면으로부터 제거될 수 있거나, 수용 표면이 다공성인 실시형태에서, 과량의 유체는 이것을 다공성 표면을 통해 배수시킴으로써 제거될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 다공성 재료를 포함하고, 기공은 여기를 통한 유체의 통과를 수월하게 하도록 사이징되고, 여기에 침착된 섬유 구조물의 하나 이상의 층을 지지하도록 사이징된다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면 및 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 과량의 유체를 제거하기 위한 부품은 멀티웰 플레이트 또는 페트리 접시로 재료를 분배하도록 구성된 시스템에 포함될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 베드에서의 수용 표면은 수용 표면으로부터 과량의 유체의 흡수를 수월하게 하는 흡수성 재료를 포함하거나 이에 인접하게 배치된다. 예를 들어, 다공성 막 재료, 또는 임의의 다른 다공성 막 기재로부터 제조된 베이스를 갖는 웰-플레이트 인서트는, 예를 들어, 스펀지와 같은 흡수성 재료의 상부에 또는 이에 인접하게 배치될 수 있다. 흡수성 재료는 수용 표면으로부터 과량의 유체를 배수시키도록 작용한다. 흡수성 재료가 다공성 수용 표면 아래에 배치되는 실시형태에서, 수용 표면에서의 과량의 유체는 다공성 수용 표면을 통해 그리고 흡수성 재료로 배수될 수 있어서, 수용 표면에서의 과량의 유체의 풀링을 방지한다. 흡수성 재료가 수용 표면의 부분의 바로 옆에 또는 이의 상부에(예를 들어, 분배된 재료의 침착을 방해하지 않도록 수용 표면의 주연부에) 배치되는 실시형태에서, 과량의 쉬스 유체는 수용 표면으로부터 그리고 흡수성 재료로 배수될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 진공원에 유체흐름으로 결합된 1개 이상의 관을 포함하고, 이 진공원은 수용 표면 및 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 과량의 유체를 제거하기 위한 석션을 제공할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 고체 또는 다공성 수용 표면을 또한 사용할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드는 1개 이상의 진공 채널을 더 포함하도록 구성되고, 1개 이상의 진공 채널은 각각 분배 오리피스 근처에(즉, 이에 인접하여) 배치된 오리피스를 갖는다. 1개 이상의 진공 채널은 각각 하나 이상의 진공과의 유체 연통을 수월하게 하도록 구성된 입구를 갖는다. 프린트 헤드가 진공과 유체 연통할 때, 1개 이상의 진공 채널은 음압을 수용 표면의 면적에 지향시키고, 여기서 재료는 분배 오리피스로부터 그리고/또는 분배된 섬유 구조물의 표면적의 부분으로 분배되고 있거나 분배되어서, 이로써 수용 표면 및 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 과량의 유체를 배수시키고, 이로써 수용 표면 및/또는 분배된 섬유 구조물에서의 유체의 풀링을 제거한다.
몇몇 실시형태에서, 적어도 부분적으로 프린트 헤드로부터 돌출되는 하나 이상의 연장부에서 1개 이상의 진공 관이 제공되고, 연장부는 분배 오리피스 및 분배 채널을 포함하는 연장부와 동일한 일반 방향으로 돌출된다. 이러한 실시형태에서, 진공 관을 포함하는 1개 이상의 연장부는 분배 공정을 방해하지 않도록 분배 오리피스 및 분배 채널을 포함하는 연장부보다 더 연장되지 않는다.
몇몇 실시형태에서, 유체 제거 특징은 유체 조성물 자체의 특징일 수 있다. 예를 들어, 쉬스 유체 조성물 및/또는 완충 용액 조성물은 분배 오리피스로부터 분배된 후 증발하여서, 수용 표면에서 또는 분배된 섬유 구조물의 표면에서 과량의 유체의 풀링을 제거하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 쉬스 유체는, 분배되기 전 액체 상태에 있으면서, 분배되기 전 증발을 발생시키는 비점을 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 프린트 베드 위의 3차원 공간에서 프린트 헤드 및 분배 오리피스를 배치하기 위한 3개의 아암을 포함하는 3D 전동 스테이지를 포함하고, 이 프린트 베드는 인쇄된 재료를 수용하기 위한 표면을 포함한다. 일 실시형태에서, 3D 전동 스테이지(즉, 배치 유닛)는 프린트 헤드 오리피스가 아래로 지향되도록 3D 전동 스테이지의 z축을을 따라 연장되는 수직 아암을 배치하도록 제어될 수 있다. 전동 스테이지의 x축을 따라 연장되는 제1 수평 아암은 고정형 베이스 플랫폼에 고정된다. 전동 스테이지의 y축을 따라 연장되는 제2 수평 아암은 제1 수평 아암의 상면에 이동 가능하게 결합되어서, 제1 수평 아암 및 제2 수평 아암의 세로 방향은 서로에 수직이다. 아암과 관련하여 상기 사용된 바와 같은, 용어 "수직" 및 "수평"은 프린트 헤드가 이동하고 반드시 아암 자체의 물리적 배향을 제한하지 않는 방식을 기재하는 것으로 의도된다고 이해되어야 한다.
몇몇 실시형태에서, 수용 표면은 플랫폼의 상부에 배치되고, 플랫폼은 제2 수평 아암의 상면에 결합된다. 몇몇 실시형태에서, 3D 전동 스테이지 아암은 각각 3개의 상응하는 모터에 의해 구동되고, 프로그래밍 가능한 제어 프로세서, 예컨대 컴퓨터에 의해 제어된다. 바람직한 실시형태에서, 프린트 헤드 및 수용 표면은 3D 전동 스테이지에 의해 데카르트 좌표 시스템의 모든 3개의 주요 축을 따라 총체적으로 이동 가능하고, 스테이지의 이동은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 한정된다. 본 발명은 오직 기재된 배치 시스템으로 제한되지 않고, 다른 배치 시스템이 당해 분야에 공지되어 있다는 것이 이해될 것이다. 재료가 프린트 헤드에서의 분배 오리피스로부터 분배되면서, 배치 유닛은 소프트웨어에 의해 제어된 패턴으로 이동하여서, 수용 표면에서의 분배된 재료의 제1 층을 생성한다. 분배된 재료의 추가적인 층은 이후 서로의 상부에 적층되어서, 재료의 분배된 층의 최종 3D 기하구조는 일반적으로 소프트웨어에 의해 제공된 3D 기하구조 설계의 모형이다. 3D 설계는 통상적인 3D CAD(컴퓨터 보조 설계) 소프트웨어를 사용하여 생성되거나 당해 분야에 공지된 바대로 디지털 이미지로부터 생성될 수 있다. 추가로, 소프트웨어 생성된 기하구조가 사용되는 특정한 재료에 대한 정보를 함유하는 경우, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 특정한 유입 재료 유형을 상이한 기하학적 위치로 배정할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 3D 구조물은 2개 이상의 상이한 유입 재료를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 유입 재료는 상이한 특성을 갖는다(예를 들어, 각각의 유입 재료는 상이한 세포 유형, 상이한 세포 농도, 상이한 ECM 조성 등을 포함한다).
본 프린팅 시스템의 양태는 특정한 섬유, 평면 또는 3D 구조물을 형성하도록 특정한 패턴으로 및 특정한 위치에서 본 유입 재료의 침착을 수월하게 하도록 구성된 소프트웨어 프로그램을 포함한다. 이러한 구조물을 제작하기 위해, 본 프린팅 시스템은 수용 표면에서 (2차원 또는 3차원에서의) 정확한 위치에서 본 유입 재료를 침착시킨다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템이 재료를 침착시키는 위치는 사용자 입력에 의해 한정되고, 컴퓨터 코드로 번역된다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 코드는 특정한 업무를 수행하도록 쓰인 디지털 처리 장치의 중앙 처리 장치(central processing unit: CPU)에서 실행 가능한 명령의 순서를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄된 섬유 치수, 펌프 속도, 프린트 헤드 배치 시스템의 이동 속도, 및 가교결합제 강도 또는 농도(이들로 제한되지는 않음)를 포함하는 인쇄 매개변수는 사용자 입력에 의해 한정되고, 컴퓨터 코드로 번역된다. 몇몇 실시형태에서, 인쇄 매개변수는 직접적으로 사용자 입력에 의해 한정되지 않지만, 컴퓨터 코드에 의해 다른 매개변수 및 조건으로부터 유래된다.
본 발명의 양태는 원하는 조직 작제물의 시각 표시의 입력을 수신하는 컴퓨터 모듈; 일련의 명령어를 생성하는 컴퓨터 모듈(여기서, 명령어는 시각 표시에 기초하고, 본 프린팅 시스템에 의해 판독 가능함); 프린팅 시스템에 일련의 명령어를 제공하는 컴퓨터 모듈; 및 한정된 기하구조를 갖는 작제물을 형성하도록 명령어에 따라 1종 이상의 유입 재료를 침착시키는 프린팅 시스템을 포함하는 조직 작제물, 조직 및 기관을 제작하는 방법을 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템이 유입 재료를 침착시키는 위치는 사용자 입력에 의해 한정되고, 컴퓨터 코드로 번역된다. 몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 장치, 시스템 및 방법은 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드에 의해 암호화된 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체 또는 저장 매체를 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 디지털 처리 장치의 실감형 부품, 예컨대 바이오프린터(또는 이의 부품) 또는 바이오프린터에 연결된 컴퓨터(또는 이의 부품)이다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 디지털 처리 장치로부터 선택적으로 제거 가능하다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는, 비제한적인 예로서, CD-ROM, DVD, 플래시 메모리 장치, 솔리드 스테이트 메모리, 자기 디스크 드라이브, 자기 테이프 드라이브, 광학 디스크 드라이브, 클라우드 컴퓨팅 시스템 및/또는 서비스 등을 포함한다. 몇몇 경우에, 프로그램 및 명령은 저장 매체에 영구적으로, 실질적으로 영구적으로, 반영구적으로 또는 비일시적으로 암호화된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 장치, 시스템 및 방법은 소프트웨어, 서버 및 데이터베이스 모듈을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, "컴퓨터 모듈"은 대형 컴퓨터 시스템과 상호작용하는 소프트웨어 부품(코드의 섹션을 포함)이다. 몇몇 실시형태에서, 소프트웨어 모듈(또는 프로그램 모듈)은 하나 이상의 파일의 형태로 시행되고, 통상적으로 대형 소프트웨어 시스템 내의 특정한 업무를 취급한다.
몇몇 실시형태에서, 모듈은 1개 이상의 소프트웨어 시스템에 포함된다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 하나 이상의 다른 모듈과 통합되어 1개 이상의 소프트웨어 시스템이 된다. 컴퓨터 모듈은 선택적으로 코드의 독립형 섹션 또는, 선택적으로, 별도로 인식 가능하지 않는 코드이다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 단일 분야에 있다. 다른 실시형태에서, 모듈은 복수의 분야에 있다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 하나의 기계에 호스팅된다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 복수의 기계에 호스팅된다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 하나의 위치에서 복수의 기계에 호스팅된다. 몇몇 실시형태에서, 모듈은 하나 초과의 위치에서 복수의 기계에 호스팅된다. 본 발명의 실시형태에 따른 컴퓨터 모듈은 최종 사용자가 본 명세서에 기재된 방법 중 하나 이상의 양태를 수행하도록 컴퓨터를 사용하게 한다.
몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 모듈은 그래프 사용자 인터페이스(graphical user interface: GUI)를 포함한다. 본 명세서에 사용된 바대로, "그래프 사용자 인터페이스"는 어플리케이션 및 정보가 저장되는 계급상 또는 다른 데이터 구조의 입력 및 출력의 그림 표시 및 텍스트 표시를 사용하는 사용자 환경을 의미한다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 모듈은 디스플레이 스크린을 포함한다. 추가의 실시형태에서, 컴퓨터 모듈은 디스플레이 스크린을 통해 2차원 GUI를 제시한다. 몇몇 실시형태에서, 컴퓨터 모듈은 디스플레이 스크린을 통해 3차원 GUI, 예컨대 가상 현실 환경을 제시한다. 몇몇 실시형태에서, 디스플레이 스크린은 터치스크린이고, 상호적인 GUI를 제시한다.
본 발명의 양태는 하나 이상의 인쇄된 섬유가 적합한 특성을 갖도록 보장하도록 본 프린팅 시스템의 하나 이상의 매개변수를 모니터링하고/하거나 조절하도록 구성된 1개 이상의 품질 제어 부품을 포함한다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 침착 공정이 너무 빨리 진행하는 경우, 인쇄된 섬유 구조물은 분배된 후 분배 채널 내부에 또는 분배 채널 외부에 꼬인 구조를 형성하기 시작할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 품질 제어 부품은 인쇄된 섬유 구조물의 하나 이상의 이미지를 수집함으로써 침착 공정을 모니터링하도록, 그리고 인쇄된 섬유 구조물이 꼬인 구조를 형성하는지를 결정하도록 구성된 카메라를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 품질 제어 부품은 인쇄된 섬유 구조물에 의해 꼬인 구조의 형성을 감소시키거나 피하도록 (예를 들어, 압력을 감소시키고/시키거나 침착 속도를 감소시키도록) 침착 공정의 하나 이상의 매개변수를 조정하도록 구성된다.
본 발명의 양태는 유체를 저장하고 유체를 1개 이상의 유체 채널을 통해 프린팅 시스템(예를 들어, 프린트 헤드)으로 전달하도록 구성된 1개 이상의 유체 저장소를 포함하고, 이 유체 채널은 프린팅 시스템과 저장소 사이의 유체 연통을 제공한다. 몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 유체 채널과 유체 연통하는 1개 이상의 유체 저장소를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유체 저장소는 유체 채널의 유입 오리피스에 연결된다. 몇몇 실시형태에서, 유체 저장소는 약 100㎕ 내지 약 1ℓ의 범위, 예컨대 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 또는 100㎖, 또는 예컨대 약 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 또는 950㎖인 유체의 용적을 보유하도록 구성된다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 1개 이상의 저장소에 유체흐름으로 결합된 압력 제어 유닛을 포함한다. 압력 제어 유닛은 프린팅 시스템을 통해 하나 이상의 유체를 이동시키는 힘을 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 압력 제어 유닛은 공압 압력을 1개 이상의 연결 관을 통해 하나 이상의 유체에 공급한다. 인가된 압력은 저장소로부터 및 프린트 헤드로 각각의 유체 채널을 통해 유체를 강제한다. 몇몇 실시형태에서, 대안적인 수단은 채널을 통해 유체를 이동시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 일련의 전기적으로 제어되는 주사기 펌프는 프린트 헤드를 통해 유체를 이동시키기 위한 힘을 제공하도록 사용될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 프린팅 시스템은 재료를 가교결합시키도록 광 가교결합 가능한 유입 재료를 광에 선택적으로 노출시키기 위한 (상기 기재된 바와 같은) 광 모듈을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 광 모듈은 프린트 헤드와 일체형일 수 있거나, 프린팅 시스템의 부품일 수 있다.
유입 재료:
본 발명의 양태는 섬유 구조물을 인쇄하기 위해 사용될 수 있는 유입 재료를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 하이드로겔을 포함한다. 하이드로겔의 비제한적인 예는 알기네이트, 아가로스, 콜라겐, 피브리노겐, 젤라틴, 키토산, 히알우론산 기반 겔, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다. 다양한 합성 하이드로겔은 공지되어 있고, 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 실시형태에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 하이드로겔은 인쇄되는 3차원 구조물에 대한 구조 베이스를 형성한다. 몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 3차원 구성에서 인쇄된 후 하이드로겔 내에 분산되거나 하이드로겔에 첨가될 수 있는 하나 이상의 세포 유형의 성장 및/또는 증식을 지지하는 능력을 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 화학 가교결합제 의해 가교결합 가능하다. 예를 들어, 알기네이트를 포함하는 하이드로겔은 2가 양이온의 존재 하에 가교결합 가능할 수 있고, 키토산을 함유하는 하이드로겔은 다가 음이온, 예컨대 나트륨 트라이폴리포스페이트(STP)를 사용하여 가교결합될 수 있고, 피브리노겐을 포함하는 하이드로겔은 효소, 예컨대 트롬빈의 존재 하에 가교결합 가능할 수 있고, 콜라겐, 젤라틴, 아가로스 또는 키토산을 포함하는 하이드로겔은 열 또는 염기성 용액의 존재 하에 가교결합 가능할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하이드로겔 섬유는 유입 재료와 혼화성인 가교결합제 재료에 대한 노출 시 유입 재료로부터의 용매 추출을 통해 달성된 침전 반응을 통해 생성될 수 있다. 침전 반응을 통해 섬유를 형성하는 유입 재료의 비제한적인 예는 콜라겐 및 폴리락트산을 포함한다. 침전 매개된 하이드로겔 섬유 형성이 가능하게 하는 가교결합 재료의 비제한적인 예는, 예를 들어, 폴리에틸렌 글라이콜(PEG) 및 알기네이트이다. 하이드로겔의 가교결합은 하이드로겔의 경도를 증가시켜서, 몇몇 실시형태에서 고화된 하이드로겔의 형성을 허용한다.
몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 알기네이트를 포함한다. 알기네이트는 2가 양이온과 접촉할 때 고화된 콜로이드 겔(높은 물 함량 겔 또는 하이드로겔)을 형성한다. 임의의 적합한 2가 양이온은 알기네이트를 포함하는 유입 재료와 고화된 하이드로겔을 형성하도록 사용될 수 있다. 알기네이트 이온 친화도 시리즈 Cd2+>Ba2+>Cu2+>Ca2+>Ni2+>Co2+>Mn2+에서, Ca2 +는 가장 잘 규명되고, 대부분 알기네이트 겔을 형성하도록 사용된다(Ouwerx, C. et al., Polymer Gels and Networks, 1998, 6(5):393-408). 연구는 Ca-알기네이트 겔이 인접한 중합체 사슬, 소위 "에그-박스" 모델에서 폴리 G 블록에 의해 Ca2 + 이온의 협력적 결합을 통해 형성한다는 것을 나타낸다(ISP Alginates, Section 3: Algin-Manufacture and Structure, in Alginates: Products for Scientific Water Control, 2000, International Specialty Products: San Diego, pp. 4-7). G 농후 알기네이트는 열적으로 안정하고 강하지만 취성인 Ca-겔을 형성하는 경향이 있는 한편, M 농후 알기네이트는 덜 열적으로 안정하고 더 약하지만 더 탄성인 겔을 형성하는 경향이 있다. 몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 US 가특허 출원 제62/437,601호(이의 개시내용은 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함됨)에 기재된 바와 같은 탈중합된 알기네이트를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 하이드로겔은 분자 사이의 공유 결합을 형성하도록 자유 라디칼 중합 반응을 사용하여 가교결합 가능하다. 자유 라디칼은 광개시제를 광(대개 자외선)에 노출시킴으로써, 또는 하이드로겔 전구체를 각각 개시제 및 촉매로서 N,N,N,N-테트라메틸에틸렌다이아민(TEMED)과 조합하여 자유 라디칼의 화학 공급원, 예컨대 암모늄 퍼옥소다이설페이트(APS) 또는 칼륨 퍼옥소다이설페이트(KPS)에 노출시킴으로써 생성될 수 있다. 광 가교결합 가능한 하이드로겔의 비제한적인 예는 UV 광에 대한 노출 후 자유 라디칼의 존재 하에 가교결합하는 이의 능력으로 인해 및 세포에 대한 이의 불활성으로 인해 세포 생물학에서 사용되는 메타크릴화 하이드로겔, 예컨대 젤라틴 메타크릴레이트(GEL-MA) 또는 폴리에틸렌(글라이콜) 다이아크릴레이트계(PEG-DA) 하이드로겔을 포함한다. 중합이 실온에서 신속히 발생하고, 낮은 에너지 입력을 요하고, 높은 함수량을 갖고, 탄성이고, 다양한 생물학적 분자를 포함하도록 고객화될 수 있으므로, PEG-DA는 조직 엔지니어링에서 보통 스캐폴드로서 사용된다.
추가적인 부품:
본 발명의 실시형태에 따른 유입 재료는, 예를 들어, 라미닌, 피브린, 히알우론산, 폴리(에틸렌) 글라이콜 기반 겔, 젤라틴, 키토산, 아가로스, 또는 이들의 조합물을 포함하는 살아 있는 세포의 생존능력을 지지하는 임의의 매우 다양한 천연 또는 합성 중합체를 포함할 수 있다. 특히 바람직한 실시형태에서, 본 바이오잉크 조성물은 생리학적으로 상용성이고, 즉, 세포 성장, 분화 및 통신에 알맞다. 소정의 실시형태에서, 유입 재료는 하나 이상의 생리학적 매트릭스 재료, 또는 이들의 조합물을 포함한다. "생리학적 매트릭스 재료"란 네이티브 포유류 조직에서 발견된 생물학적 재료를 의미한다. 이러한 생리학적 매트릭스 재료의 비제한적인 예는 피브로넥틴, 트롬보스폰딘, 글라이코스아미노글라이칸(GAG)(예를 들어, 히알우론산, 콘드로이틴-6-설페이트, 데르마탄 설페이트, 콘드로이틴-4-설페이트 또는 케라틴 설페이트), 데옥시리보핵산(DNA), 유착 당단백질, 및 콜라겐(예를 들어, 콜라겐 I, 콜라겐 II, 콜라겐 III, 콜라겐 IV, 콜라겐 V, 콜라겐 VI 또는 콜라겐 XVIII)을 포함한다.
콜라겐은 대부분의 조직에 인장 강도를 제공하고, 대략 100㎚ 직경의 다수의 콜라겐 피브릴은 조합되어 대략 10㎛ 직경의 강한 꼬인 코일 섬유를 생성한다. 소정의 조직 작제물의 바이오기계적 기능은 배향된 방식으로 콜라겐 섬유 정렬을 통해 부여된다. 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 콜라겐 피브릴을 포함한다. 콜라겐 피브릴을 포함하는 유입 재료는 조직 작제물로 형성되는 섬유 구조물을 생성하도록 사용될 수 있다. 섬유 구조물의 직경을 조정함으로써, 콜라겐 피브릴의 배향은 원하는 방식으로 콜라겐 피브릴의 중합을 지향시키도록 제어될 수 있다.
예를 들어, 이전의 연구는 상이한 직경의 마이크로유체 채널이, 오직 100㎛ 이하의 채널 직경에서를 제외하고, 채널의 길이를 따라 배향되는 섬유로부터 콜라겐 피브릴의 중합을 지향시킬 수 있다는 것을 보여주었다(Lee et al., 2006). 이 배향된 매트릭스에서 성장한 1차 내피 세포는 콜라겐 섬유의 방향에서 정렬되는 것으로 보였다. 또 다른 연구에서, Martinez 등은 셀룰로스-비드 스캐폴드 내의 500㎛ 채널은 콜라겐 및 세포 정렬을 지향시킬 수 있다는 것을 입증한다(Martinez et al., 2012). 몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 약 20㎛ 내지 약 500㎛의 범위, 예컨대 약 50㎛, 약 75㎛, 약 100㎛, 약 125㎛, 약 150㎛, 약 175㎛, 약 200㎛, 약 225㎛, 약 250㎛, 약 275㎛, 약 300㎛, 약 325㎛, 약 350㎛, 약 375㎛, 약 400㎛, 약 425㎛, 약 450㎛ 또는 약 475㎛인 직경을 갖는 섬유 구조물로 형성될 수 있다. 섬유 직경을 조정함으로써, 섬유 구조물 내의 콜라겐 섬유의 배향은 제어될 수 있다. 그러므로, 섬유 구조물, 및 이들 내의 콜라겐 섬유는 따라서 3D 인쇄된 구조물에 원하는 바이오기계적 특성을 부여하는 데 필수적인 콜라겐 섬유의 원하는 배열을 갖는 조직 작제물을 제조하도록 패턴형성될 수 있다.
포유류 세포 유형:
본 발명의 실시형태에 따른 유입 재료는 임의의 포유류 세포 유형, 예를 들어, 줄기 세포(예를 들어, 배아 줄기 세포, 성체 줄기 세포, 유도 다능성 줄기 세포), 생식 세포, 내배엽 세포(예를 들어, 폐, 간, 췌장, 위장관 또는 요로 세포), 중배엽 세포(예를 들어, 신장, 골, 근육, 내피 또는 심장 세포) 및 외배엽 세포(피부, 신경계 또는 눈 세포)(이들로 제한되지는 않음), 또는 임의의 이들의 조합을 혼입시킬 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 유입 재료는 섬유아세포, 연골세포, 반달연골 섬유연골세포, 줄기 세포, 골수 간질(줄기) 세포, 배아 줄기 세포, 간엽성 줄기 세포, 유도 다능성 줄기 세포, 분화된 줄기 세포, 조직 유래된 세포, 평활한 근육 세포, 골격근 세포, 심장 근육 세포, 상피 세포, 내피 세포, 근원세포, 연골아세포, 조골세포, 파골세포, 및 임의의 이들의 조합을 포함할 수 있다.
세포는 공여자(동종이계) 또는 수혜자(자가)로부터 수득될 수 있다. 세포는 또한 확립된 세포 배양 라인 유래일 수 있거나, 원하는 유전자형 또는 표현형을 달성하도록 유전자 엔지니어링 및/또는 조작을 겪은 세포일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 동일한 구조 내에 다수의 상이한 세포 유형을 제공할 수 있는 조직의 조각을 또한 사용할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 세포는 인간 또는 동물 중 어느 하나인 적합한 공여자로부터 또는 세포가 이식되어야 하는 대상체로부터 수득될 수 있다. 포유류 종은 인간, 원숭이, 개, 소, 말, 돼지, 양, 염소, 고양이, 마우스, 토끼 및 래트를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 일 실시형태에서, 세포는 인간 세포이다. 다른 실시형태에서, 세포는 동물, 예컨대 개, 고양이, 말, 원숭이 또는 임의의 다른 포유류로부터 유래될 수 있다.
포유류 세포에 적절한 성장 조건은 당해 분야에 널리 공지되어 있다(Freshney, R. I. (2000) Culture of Animal Cells, a Manual of Basic Technique. Hoboken N.J., John Wiley & Sons; Lanza et al. Principles of Tissue Engineering, Academic Press; 2nd edition May 15, 2000; 및 Lanza & Atala, Methods of Tissue Engineering Academic Press; 1st edition October 2001). 세포 배양 배지는 일반적으로 필수 영양소 및, 선택적으로, 배양되는 세포 유형(들)에 따라 선택될 수 있는 추가적인 요소, 예컨대 성장 인자, 염, 미네랄, 비타민 등을 포함한다. 특정한 성분은 세포 성장, 분화, 특이적 단백질의 분비 등을 증대시키도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 표준 성장 배지는 둘베코 변형 이글 배지를 포함하고, 10% 내지 20%의 소 태아 혈청(FBS) 또는 소 혈청 및 100U/㎖의 페니실린이 보충된 110㎎/ℓ의 피류베이트 및 글루타민을 함께 갖는 저 글루코스(DMEM)는 당업자에게 널리 공지된 다양한 다른 표준 배지인 것처럼 적절하다. 성장 조건은 사용 중인 포유류 세포 및 원하는 조직의 유형에 따라 변할 것이다.
몇몇 실시형태에서, 세포 유형 특이적 시약은 유리하게는 상응하는 세포 유형과 사용하기 위해 본 유입 재료에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 세포외 매트릭스("ECM")는 직접적으로 관심 대상의 조직으로부터 추출되고, 이후 가용화되고, 이것이 유입 재료로 혼입될 수 있어서, 인쇄된 조직에 대해 조직 특이적 유입 재료를 생성한다. 이러한 ECM은 환자 샘플로부터 용이하게 얻어질 수 있고/있거나, 공급사, 예컨대 zPredicta(rBone(상표명), zpredicta.com/home/products에서 이용 가능)로부터 상업적으로 구입 가능하다.
활성제:
몇몇 양태에서, 본 발명의 실시형태에 따른 유입 재료는 1종 하나의 활성제를 포함할 수 있다. 이러한 활성제의 비제한적인 예는 TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, BMP-2, BMP-4, BMP-6, BMP-12, BMP-13, 기본 섬유아세포 성장 인자, 섬유아세포 성장 인자-1, 섬유아세포 성장 인자-2, 혈소판 유래된 성장 인자-AA, 혈소판 유래된 성장 인자-BB, 혈소판 농후 혈장, IGF-I, IGF-II, GDF-5, GDF-6, GDF-8, GDF-10, 혈관 내피 세포 유래된 성장 인자, 플레이오트로핀, 엔도텔린, 니코틴아마이드, 글루카곤 유사 펩타이드-I, 글루카곤 유사 펩타이드-II, 부갑상선 호르몬, 테나신-C, 트로포엘라스틴, 트롬빈 유래된 펩타이드, 라미닌, 세포 결합 도메인을 함유하는 생물학적 펩타이드 및 헤파린 결합 도메인을 함유하는 생물학적 펩타이드, 치료제, 및 임의의 이들의 조합물을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "치료제"는 국소로 또는 전신으로 대상체에서 작용하는 생물학적으로, 생리학적으로 또는 약물학적으로 활성인 물질인 임의의 화학 모이어티를 의미한다. "약물"이라고도 칭하는 치료제의 비제한적인 예는 널리 공지된 문헌 교재, 예컨대 [Merck Index, the Physician's Desk Reference, 및 Pharmacological Basis of Therapeutics]에 기재되어 있고, 이들은, 제한 없이, 약제; 비타민; 미네랄 보충제; 질환 또는 질병의 치료, 예방, 진단, 치유 또는 경감에 사용되는 물질; 신체의 구조 또는 기능에 영향을 미치는 물질; 또는 생리학적 환경에 놓인 후 생물학적으로 활성이거나 더 활성이 되는 프로드럭을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 대상체로의 이식 시 본 명세서에 기재된 유입 재료로부터 인접한 조직 또는 유체로 방출될 수 있는 하나 이상의 치료제를 사용할 수 있다. 치료제의 예는 항생제, 마취제, 재생 또는 조직 치유를 촉진하거나, 통증, 감염, 또는 염증을 감소시키는 임의의 치료제, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
추가적인 활성제는 단백질, 펩타이드, 핵산 유사체, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 핵산(DNA, RNA, siRNA), 펩타이드 핵산, 압타머, 항체 또는 이들의 단편 또는 부분, 항원 또는 에피토프, 호르몬, 호르몬 길항제, 성장 인자 또는 재조합 성장 인자 및 이들의 단편 및 변이체, 사이토카인, 효소, 항생제 또는 항균성 화합물, 소염제, 항진균제, 항바이러스제, 독소, 프로드럭, 소분자, 약물(예를 들어, 약물, 염료, 아미노산, 비타민, 항산화제) 또는 임의의 이들의 조합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
유입 재료에서의 포함에 적합한 항생제의 비제한적인 예는 아미노글라이코사이드(예를 들어, 네오마이신), 안사마이신, 카바세펨, 카바페넴, 세팔로스포린(예를 들어, 세파졸린, 세파클러, 세프디토렌, 세프디토렌, 세프토비프롤), 글라이코펩타이드(예를 들어, 반코마이신), 마크롤라이드(예를 들어, 에리쓰로마이신, 아지트로마이신), 모노박탐, 페니실린(예를 들어, 아목시실린, 암피실린, 클록사실린, 디클록사실린, 플루클록사실린), 폴리펩타이드(예를 들어, 바시트라신, 폴리믹신 B), 퀴놀론(예를 들어, 시프로플록사신, 에녹사신, 가티플록사신, 오플록사신 등), 설폰아마이드(예를 들어, 설파살라진, 트리메토프림, 트라이메토프림-설파메톡사졸(코-트리목사졸)), 테트라사이클린(예를 들어, 독시사이클린, 미노사이클린, 테트라사이클린 등), 클로르암페니콜, 린코마이신, 클린다마이신, 에탐부톨, 무피로신, 메트로니다졸, 피라진아마이드, 티암페니콜, 리팜피신, 티암페니콜, 답손, 클로파지민, 퀴누프리스틴, 메트로니다졸, 리네졸리드, 이소니아지드, 포스포마이신, 푸시딘산, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다.
항체의 비제한적인 예는 아브식시맙, 아달리무맙, 알템투주맙, 바실릭시맙, 베바시주맙, 세툭시맙, 세르톨리주맙 페골, 다클리주맙, 에쿨리주맙, 에팔리주맙, 겜투주맙, 이브리투모맙 티욱세탄, 인플릭시맙, 무로모납-CD3, 나탈리주맙, 오파투무맙 오말리주맙, 팔리비주맙, 파니투무맙, 라니비주맙, 리툭시맙, 토시투모맙, 트라스투주맙, 알투모맙 펜테테이트, 아르시투모맙, 아틀리주맙, 벡투모맙, 벨리무맙, 베실레소맙, 비시로맙, 카나키누맙, 카프로맙 펜데타이드, 카투막소맙, 데노수맙, 에드레콜로맙, 에푼구맙, 에르투막소맙, 에타라시주맙, 파놀레소맙, 폰톨리주맙, 겜투주맙 오조가마이신, 골리무맙, 이고보맙, 임시로맙, 라베투주맙, 메폴리주맙, 모타비주맙, 니모투주맙, 노페투모맙 메르펜탄, 오레고보맙, 펨투모맙, 페르투주맙, 로벨리주맙, 루플리주맙, 술레소맙, 타카투주맙 테트락세탄, 테피바주맙, 토실리주맙, 우스테키누맙, 비실리주맙, 보투무맙, 잘루투무맙, 자놀리무맙, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다.
본 명세서에 기재된 유입 재료에서의 사용에 적합한 효소의 비제한적인 예는 퍼옥시다제, 리파제, 아밀로스, 오가노포스페이트 탈수소효소, 리가제, 제한 엔도뉴클레아제, 리보뉴클레아제, DNA 중합효소, 글루코스 산화효소 및 라카아제를 포함한다.
본 유입 재료와 사용하기에 적합한 활성제의 추가적인 비제한적인 예는 세포 성장 배지, 예컨대 둘베코 변형 이글 배지, 소 태아 혈청, 비필수 아미노산 및 항생제; 성장 및 형태발생 인자, 예컨대, 섬유아세포 성장 인자, 형질전환 성장 인자, 혈관 내피 성장 인자, 표피 성장 인자, 혈소판 유래된 성장 인자, 인슐린 유사 성장 인자), 골 형태발생 성장 인자, 골 형태발생 유사 단백질, 형질전환 성장 인자, 신경 성장 인자, 및 관련된 단백질(성장 인자는 당해 분야에 공지되어 있고, 예를 들어, 문헌[Rosen & Thies, CELLULAR & MOLECULAR BASIS BONE FORMATION & REPAIR(R.G. Landes Co., Austin, Tex., 1995]을 참조); 항혈관신생 단백질, 예컨대 엔도스타틴, 및 다른 천연 유리된 또는 유전자 조작된 단백질; 폴리사카라이드, 당단백질 또는 리포단백질; 항감염제, 예컨대 항생제 및 항바이러스제, 화학치료제(즉, 항암제), 거부방지제(anti-rejection agent), 진통제 및 진통제 조합, 소염제, 스테로이드, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다.
추가적인 유체:
본 발명의 양태는 1종 이상의 완충 용액을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액은 유입 재료(예를 들어, 하이드로겔)와 혼화성이고, 유입 재료를 가교결합시키지 않는다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액은 수성 용매를 포함한다. 완충 용액의 비제한적인 예는 폴리비닐 알코올, 물, 글라이세롤, 프로필렌 글라이콜, 수크로스, 젤라틴, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따른 완충 용액은 약 1mPa.s 내지 약 5,000mPa.s의 범위, 예컨대 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,250, 1,500, 1,750, 2,000, 2,250, 2,500, 2,750, 3,000, 3,250, 3,500, 3,750, 4,000, 4,250, 4,500 또는 4,750mPa.s인 점도를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액의 점도는 1종 이상의 유입 재료의 점도와 일치하도록 조정될 수 있다.
본 발명의 양태는 1종 이상의 쉬스 용액을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액은 적어도 부분적으로 분배 채널로부터 분배되는 유입 재료를 엔벨로프 또는 "둘러싸도록" 사용될 수 있는 유체이다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 유체는 수성 용매를 포함한다. 쉬스 용액의 비제한적인 예는 폴리비닐 알코올, 물, 글라이세롤, 프로필렌 글라이콜, 수크로스, 젤라틴, 또는 임의의 이들의 조합물을 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 쉬스 용액은 약 1mPa.s 내지 약 5,000mPa.s의 범위, 예컨대 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,250, 1,500, 1,750, 2,000, 2,250, 2,500, 2,750, 3,000, 3,250, 3,500, 3,750, 4,000, 4,250, 4,500 또는 4,750mPa.s인 점도를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액의 점도는 1종 이상의 유입 재료의 점도와 일치시키도록 조정될 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액은 화학 가교결합제를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 화학 가교결합제는 2가 양이온을 포함한다. 2가 양이온의 비제한적인 예는 Cd2+, Ba2 +, Cu2 +, Ca2 +, Ni2 +, Co2 + 또는 Mn2 +를 포함한다. 바람직한 실시형태에서, Ca2+는 2가 양이온으로서 사용된다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 중의 2가 양이온의 농도는 약 80mM 내지 약 140mM의 범위, 예컨대 약 90, 100, 110, 120 또는 130mM이다.
사용 방법:
본 발명의 양태는 선형 섬유 구조물, 1개 이상의 섬유 구조물을 포함하는 평면 구조물, 또는 평면 구조물의 2개 이상의 층을 포함하는 3차원(3D) 구조물을 인쇄하는 방법을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 방법은 처음에 인쇄되는 평면 또는 3D 구조물에 대한 설계를 제공하는 단계를 포함한다. 설계는 상업적으로 구입 가능한 CAD 소프트웨어를 사용하여 생성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 설계는 인쇄되는 구조물(들)에서의 특정한 위치로 배정되는 (예를 들어, 다수의 재료를 포함하는 불균일 구조물에 대한) 특정한 재료에 관한 정보를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 3D 프린터의 사용을 포함하고, 프린터는 프린트 헤드, 프린트 헤드에 의해 분배된 재료를 수용하기 위한 수용 표면; 및 수용 표면에 작동 가능하게 결합된 (수용 표면 위의 3차원 공간에서의 위치에서 프린트 헤드를 배치하기 위한) 배치 유닛을 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에 제공된 프린팅 시스템의 다양한 실시형태는 평면 또는 3D 구조물을 인쇄시키는 방법에서 사용될 수 있다.
상기 방법의 양태는 프린트 헤드에 의해 분배되는 1종 이상의 유입 재료를 제공하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 세포 유형은 유입 재료와 상용성이고 이것 내에 선택적으로 분배된다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 유체는 프린트 헤드 내의 유입 재료의 이동을 윤활시키기 위한 윤활제로서 작용한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 유체는 프린트 헤드로부터 분배되기 전에 또는 분배되면서 하이드로겔의 적어도 일부를 고화시키기 위한 가교결합제를 포함한다.
상기 방법의 양태는 설계를 3D 프린터와 통신시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 통신은, 예를 들어, 프로그래밍 가능한 제어 프로세서에 의해 달성될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 3차원 공간에서 프린트 헤드 및 수용 표면의 상대 배치를 제어하는 단계 및 동시에 단독으로 또는 조합되어 프린트 헤드로부터 쉬스 유체 및 유입 재료를 분배하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프린트 헤드로부터 분배된 재료는 공축으로 분배되어서, 쉬스 유체는 유입 재료를 엔벨로프한다. 이러한 공축 배열은 쉬스 유체에서 가교결합제가 유입 재료를 고화시키게 하여서, 고화된 섬유 구조물을 생성시키고, 이것은 프린터 헤드로부터 분배된다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 수용 표면에 분배된 섬유 구조물의 제1 층을 침착시키는 단계(여기서, 제1 층은 설계에 의해 규정된 섬유 구조물의 배열을 포함), 및 침착 단계를 되풀이하여 반복하는 단계, 후속하는 섬유 구조물을 제1 및 후속하는 층에 침착시켜서, 설계에 의해 규정된 기하학적 배열에서 분배된 섬유 구조물의 층에 층을 침착시켜서 3D 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 복수의 유입 재료, 예를 들어, 다수의 하이드로겔(이들 중 적어도 몇몇은 하나 이상의 세포 유형을 포함함)은 제어된 순서로 침착되어서, 유입 재료 및 세포 유형의 제어된 배열이 설계에 의해 규정된 기하학적 배열에서 침착되게 한다.
몇몇 실시형태에서, 방법은 수용 표면 그리고 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 과량의 유체를 제거하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 과량의 유체를 제거하는 단계는 지속적으로 인쇄 공정에 걸쳐 수행될 수 있어서, 설계에 의해 제공된 기하학적 배열에서 분배된 섬유 구조물의 적층을 달리 방지할 수 있는 과량의 유체를 제거한다. 대안적으로, 과량의 유체를 제거하는 단계는 하나 이상의 침착 단계와 순차적으로 또는 동시에 인쇄 공정을 통해 간헐적으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 과량의 유체의 제거는 수용 표면 그리고 선택적으로 분배된 섬유 구조물의 표면으로부터 유체를 배수시킴으로써 달성된다. 몇몇 실시형태에서, 과량의 유체의 제거는 수용 표면을 통해 과량의 유체를 배수시킴으로써 달성되고, 수용 표면은 유체의 통과를 허용하도록 사이징된 기공을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 과량의 유체의 제거는 분배 오리피스로부터 분배된 후 증발하는 유체를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 양태는 1종 이상의 유입 재료를 포함하는 3D 구조물을 제조하는 방법을 포함한다. 3D 구조물은 대상체에서의 손상된 또는 이환된 조직의 적어도 일부를 보수하고/하거나 대체하는 데 용도가 발견한다.
상기 기재된 바대로, 임의의 적합한 2가 양이온은 화학적으로 가교결합 가능한 유입 재료, 예를 들어, Cd2 +, Ba2 +, Cu2 +, Ca2 +, Ni2 +, Co2 + 또는 Mn2 +(이들로 제한되지는 않음)를 고화시키도록 본 방법과 함께 사용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, Ca2 +는 2가 양이온으로서 사용된다. 하나의 바람직한 실시형태에서, 화학적으로 가교결합 가능한 유입 재료는 고화된 섬유 구조물을 형성하도록 Ca2 +를 포함하는 용액과 접촉한다. 몇몇 실시형태에서, 쉬스 용액 중의 Ca2 +의 농도는 약 80mM 내지 약 140mM의 범위, 예컨대 약 90, 100, 110, 120 또는 130mM이다.
소정의 실시형태에서, 유입 재료는 약 5초 미만, 예컨대 약 4초 미만, 약 3초 미만, 약 2초 미만 또는 약 1초 미만에 고화된다.
본 발명의 양태는 다층 3D 조직 구조물로 형성되는 고화된 구조의 층을 형성하도록 소프트웨어 도구를 사용하여 패턴화된 방식으로 1종 이상의 유입 재료를 침착시키는 방법을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 다층 3D 조직 구조물은 복수의 포유류 세포를 포함한다. 유리하게는, 본 유입 재료의 성분(예를 들어, 포유류 세포 유형, 세포 밀도, 매트릭스 성분, 활성제)을 조정함으로써, 다층 3D 조직 구조물은 본 방법을 이용하여 생성될 수 있고, 여기서 다층 3D 조직 구조물은 3차원 공간에서 임의의 특정한 위치에서 정확히 제어된 조성을 갖는다. 그러므로, 본 방법은 복잡한 3차원 조직 구조의 제조를 수월하게 한다.
몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 분배 채널에서 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하여서 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 중단시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 분배 채널에서 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하는 단계는 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함한다.
몇몇 실시형태에서, 상기 방법은 분배 채널에서 완충 용액을 유입 재료에 의해 대체하여서 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 시작시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 완충 용액을 유입 재료에 의해 대체하는 단계는 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함한다.
유용성:
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법을 사용하여 생성된 구조물은 약물 개발의 분야에서 유용할 수 있고, 여기서, 예를 들어, 다양한 화학 화합물 및 조성물에 대한 세포 반응의 결정은 관심 대상이다. 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 실시형태를 사용하여 제작된 평면 및 3D 세포 배양물의 사용은 전통적인 2D 세포 배양에 비해 생체내 세포 및 조직 조건을 더 가깝게 닮은 실험 조건을 제공할 수 있다. 세포의 3D 배열은 생체내 세포-세포 상호작용 및 외부 자극에 대한 반응을 더 가깝게 모방할 수 있고, 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법을 이용하여 생성될 수 있는 3D 구조물의 불균일 성질은 조직 및 잠재적으로 기관의 연구를 허용한다. 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 실시형태를 이용하여 제작된 3D 세포가 실린 구조물이 미용 제품을 시험하기 위한 대안적인 수단을 제공함으로써 미용 산업에 유사한 이익을 제공할 수 있다고 고려된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 다양한 양태는 표준 웰-플레이트 기술과 상용성이다. 웰-플레이트 또는 웰-플레이트 인서트는 본 명세서에 제공된 방법 및 시스템과 또는 이것에서의 프린트 베드의 일부로서 사용될 수 있다. 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 다양한 실시형태는 이에 따라 웰-플레이트를 사용하는 기구 및 실행과 상용성이어서, 이들이 기존의 공정 스트림으로 용이하게 통합되게 한다.
몇몇 실시형태에서, 본 프린트 헤드 내의 1개 이상의 유체 채널은 다른 마이크로유체 모듈과 상용성이다. 예를 들어, 공지된 마이크로유체 모듈은 분배 오리피스의 상류에 본 명세서에 제공된 시스템의 프린트 헤드에 포함될 수 있다. 이러한 모듈은, 예를 들어, 세포 계수, 세포 분류, 세포 분석 및/또는 농도 구배 생성 모듈을 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에서, 3D 인쇄의 쓰루풋은 시스템에 추가적인 프린트 헤드를 병렬로 첨가함으로써 증가할 수 있다. 각각의 프린트 헤드는 다중-재료 구조를 인쇄하는 데 필요한 모든 부재를 포함하여서, 몇몇 3D 구조물이 시스템에서 추가적인 프린트 헤드를 포함함으로써 동시에 인쇄되게 한다.
본 명세서에 인용된 모든 특허 및 특허 공보는 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된다.
상기 발명이 이해의 명료함의 목적을 위해 예시 및 예로 자세히 기재되어 있지만, 본 발명의 교시내용의 견지에서 소정의 변화 및 변형이 첨부된 청구항의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않으면서 여기에 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 용이하게 명확하다.
따라서, 이전은 단순히 본 발명의 원칙을 예시한다. 당업자가 다양한 배열을 고안할 수 있다고 이해될 것이고, 이 배열은 본 명세서에 명확히 기재되거나 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 원칙을 구현하고, 이의 사상 및 범위 내에 포함된다. 게다가, 본 명세서에 언급된 모든 예 및 조건 언어는 독자가 당해 분야를 발전시키도록 본 발명의 원칙 및 본 발명자들에 의해 기여된 개념을 이해하는 것을 돕도록 주로 의도되고, 이러한 구체적으로 언급된 예 및 조건에 제한 없도록 해석되어야 한다. 더구나, 본 발명의 원칙 및 양태, 및 이의 구체적인 예를 언급하는 본 명세서에서의 모든 서술은 구조 및 이의 기능상 균등물 둘 다를 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 이러한 균등물이 현재 공지된 균등물 및 미래에 개발되는 균등물, 즉 구조물과 무관하게 동일한 기능을 수행하는 임의의 개발된 부재 둘 다를 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 명세서에 도시되고 기재된 예시적인 양태로 제한되도록 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위 및 사상은 첨부된 청구항에 의해 구현된다.
Claims (50)
- 섬유 구조물을 제조하기 위한 프린트 헤드로서,
원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널;
상기 분배 채널의 상기 원위 말단에 배치된 분배 오리피스;
상기 분배 채널의 상기 근위 말단에서 상기 분배 채널에 수렴(converging)되는 1개 이상의 재료 채널;
상기 분배 채널의 상기 근위 말단에서 상기 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및
상기 분배 채널의 상기 근위 말단과 상기 원위 말단 사이에 배치된 쉬스(sheath) 유체 수렴 위치에서 상기 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하되;
상기 1개 이상의 재료 채널, 상기 완충 용액 채널 및 상기 쉬스 용액 채널은 상기 분배 채널과 유체 연통하고; 그리고
상기 프린트 헤드는 상기 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된, 프린트 헤드. - 제1항에 있어서, 제1 재료 채널 및 제2 재료 채널을 포함하는, 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 쉬스 용액 채널은 분기 위치에서 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널로 분기하는, 프린트 헤드.
- 제3항에 있어서, 상기 2개 이상의 쉬스 용액 하위채널은 상기 쉬스 유체 수렴 위치에서 상기 분배 채널에 수렴되는, 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 1개 이상의 재료 채널의 각각은 재료 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함하는, 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 완충 용액 채널은 완충 용액 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함하는, 프린트 헤드.
- 제1항에 있어서, 상기 쉬스 용액 채널은 쉬스 용액 유입 오리피스 및 제어 밸브를 포함하는, 프린트 헤드.
- 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템으로서,
프린트 헤드;
상기 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 및
3D 공간에서 상기 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품(positioning component)으로서, 상기 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합된, 상기 배치 부품을 포함하되,
상기 프린트 헤드는,
원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널;
상기 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및
상기 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서 상기 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하고;
상기 1개 이상의 재료 채널, 상기 완충 용액 채널 및 상기 쉬스 용액 채널은 상기 분배 채널과 유체 연통하며; 그리고
상기 프린트 헤드는 상기 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 상기 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 더 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 프린트 헤드로부터 분배된 과량의 유체를 제거하도록 구성된 유체 제거 부품(fluid removal component)을 더 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 유체 제거 부품은 상기 과량의 유체의 통과를 허용하도록 구성된 다공성 막을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 유체 제거 부품은 흡수성 재료를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 유체 제거 부품은 과량의 유체를 흡입시키도록 구성된 진공을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 진공은 상기 수용 표면 아래에서 인가되는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 진공은 상기 수용 표면 위에서 인가되는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 진공은 상기 프린트 헤드에서 1개 이상의 진공 채널을 통해 인가되는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 1개 이상의 진공 채널은 상기 프린트 헤드에서 상기 분배 오리피스 근처에 배치된, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 조절하도록 구성된 압력 제어 부품을 더 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 프린트 헤드와 유체 연통하는 1개 이상의 유체 저장소를 더 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제19항에 있어서, 유체 저장소는 쉬스 용액을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 쉬스 용액은 유입 재료를 고화시키도록 구성된 가교결합 용액을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제21항에 있어서, 상기 가교결합 용액은 2가 양이온을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제22항에 있어서, 상기 2가 양이온은 Ca++인, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제19항에 있어서, 유체 저장소는 완충 용액을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제24항에 있어서, 상기 완충 용액은 유입 재료와 혼화성인, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제19항에 있어서, 유체 저장소는 유입 재료를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제26항에 있어서, 상기 유입 재료는 하이드로겔을 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제27항에 있어서, 상기 하이드로겔은 알기네이트를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제28항에 있어서, 상기 알기네이트는 탈중합된 알기네이트인, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제26항에 있어서, 상기 유입 재료는 하나 이상의 살아 있는 세포를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제26항에 있어서, 상기 유입 재료는 과량의 세포 매트릭스 재료를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제26항에 있어서, 상기 유입 재료는 활성제를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 분배 채널을 통한 일정한 질량 유속을 생성하도록 구성된, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제8항에 있어서, 가교결합 부품을 더 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제34항에 있어서, 상기 가교결합 부품은 UV 램프를 포함하는, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 제34항에 있어서, 상기 가교결합 부품은 상기 분배 오리피스에 인접하여 배치된, 섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템.
- 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법으로서,
섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널;
상기 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널; 및
상기 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서 상기 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널을 포함하는 프린트 헤드로서;
상기 1개 이상의 재료 채널, 상기 완충 용액 채널 및 상기 쉬스 용액 채널은 상기 분배 채널과 유체 연통하고; 그리고
상기 프린트 헤드는 상기 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된, 상기 프린트 헤드;
상기 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면;
3D 공간에서 상기 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품으로서, 상기 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합된, 상기 배치 부품;
상기 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 상기 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서;
제1 유입 재료를 포함하는 제1 유체 저장소;
완충 용액을 포함하는 제2 유체 저장소; 및
가교결합 용액을 포함하는 쉬스 용액을 포함하는 제3 유체 저장소를 포함하고,
상기 유체 저장소는 상기 프린트 헤드와 유체 연통하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
상기 제1 유입 재료를 상기 분배 채널에서 상기 쉬스 용액과 접촉시켜 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계; 및
상기 프린트 헤드의 분배 오리피스로부터 상기 고화된 섬유 구조물을 분배하는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법. - 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법으로서,
섬유 구조물을 제조하기 위한 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 시스템은,
원위 말단 및 근위 말단을 포함하는 분배 채널;
상기 분배 채널의 원위 말단에 배치된 분배 오리피스;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 분배 채널에 수렴되는 1개 이상의 재료 채널;
상기 분배 채널의 근위 말단에서 상기 1개 이상의 재료 채널에 수렴되는 완충 용액 채널;
상기 분배 채널의 근위 말단과 원위 말단 사이에 배치된 쉬스 유체 수렴 위치에서 상기 분배 채널에 수렴되는 쉬스 용액 채널; 및
가교결합 부품을 포함하는 프린트 헤드로서;
상기 1개 이상의 재료 채널, 상기 완충 용액 채널 및 상기 쉬스 용액 채널은 상기 분배 채널과 유체 연통하고; 그리고
상기 프린트 헤드는 상기 분배 채널의 근위 말단에서 1종 이상의 유입 재료를 완충 용액에 의해 대체하도록 구성된, 상기 프린트 헤드;
상기 프린트 헤드로부터 분배된 재료의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면;
3D 공간에서 상기 프린트 헤드의 분배 오리피스를 배치하기 위한 배치 부품으로서, 상기 프린트 헤드에 작동 가능하게 결합된, 상기 배치 부품;
상기 배치 부품을 제어하기 위한 그리고 상기 프린트 헤드를 통한 1종 이상의 유체의 유속을 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서;
제1 유입 재료를 포함하는 제1 유체 저장소;
완충 용액을 포함하는 제2 유체 저장소; 및
가교결합 용액을 포함하는 쉬스 용액을 포함하는 제3 유체 저장소를 포함하고,
상기 유체 저장소는 상기 프린트 헤드와 유체 연통하는, 상기 시스템을 제공하는 단계;
상기 분배 채널을 통해 상기 제1 유입 재료를 통과시키는 단계;
상기 제1 유입 재료를 상기 가교결합 부품과 가교결합시켜 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계; 및
상기 프린트 헤드의 분배 오리피스로부터 상기 고화된 섬유 구조물을 분배하는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법. - 제38항에 있어서, 상기 제1 유입 재료는 상기 분배 채널에서 가교결합된, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제38항에 있어서, 상기 가교결합 부품은 상기 분배 오리피스에 인접하여 배치되고, 상기 제1 유입 재료는 상기 분배 오리피스로부터 분배되면서 가교결합되는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 인쇄되는 평면 구조물에 의해 암호화하는 단계; 및
상기 고화된 섬유 구조물의 제1 층을 상기 수용 표면에 침착시켜서 상기 평면 구조물을 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법. - 제41항에 있어서,
상기 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 인쇄되는 3D 구조물에 의해 암호화하는 단계; 및
상기 고화된 섬유 구조물의 후속하는 층을 상기 평면 구조물의 상부에 침착시켜서 3D 구조물을 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법. - 제34항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 채널에서 유입 재료를 상기 완충 용액에 의해 대체하여서 상기 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 중지시키는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제43항에 있어서, 상기 분배 채널에서 상기 유입 재료를 상기 완충 용액에 의해 대체하는 단계는 상기 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제34항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분배 채널에서 완충 용액을 유입 재료에 의해 대체하여서 상기 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물의 침착을 시작시키는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제45항에 있어서, 상기 분배 채널에서 상기 완충 용액을 상기 유입 재료에 의해 대체하는 단계는 상기 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제37항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 제2 유입 재료를 포함하는 제4 유체 저장소를 더 포함하고, 상기 방법은 상기 제2 유입 재료를 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제47항에 있어서, 상기 분배 채널에서 상기 제1 유입 재료를 상기 제2 유입 재료에 의해 대체하여서 상기 제1 유입 재료로부터의 제2 유입 재료로의 이행을 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제48항에 있어서, 상기 분배 채널에서 상기 제1 유입 재료를 상기 제2 유입 재료를 대체하는 단계는 상기 분배 채널에서 일정한 질량 유속을 유지시키는 단계를 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
- 제47항에 있어서, 상기 제1 유입 재료 및 제2 유입 재료를 동시에 분배하여서 상기 제1 유입 재료 및 제2 유입 재료의 혼합물을 포함하는 고화된 섬유 구조물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 고화된 섬유 구조물을 생성하는 방법.
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