KR20200128428A - 전기 수력학적 바이오 프린터 시스템 및 방법 - Google Patents

전기 수력학적 바이오 프린터 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20200128428A
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Abstract

본 개시내용의 실시예에 따르면, 종래의 바이오 인쇄와 전기 수력학적 인쇄(EHDP)를 모두 수행하는 능력을 갖는 디바이스가 제공된다. 본 개시내용은 또한 설명된 디바이스를 사용하는 방법, 인쇄 파라미터의 최적화 방법, 위치 교정 방법, 전압 파형을 선택하거나 생성하는 방법, 및 제조 디바이스와 관련된 다른 방법을 제공한다.

Description

전기 수력학적 바이오 프린터 시스템 및 방법
사용 분야
본 발명은 하나의 기계에 결합된 바이오 인쇄 및 전기 수력학적 기술을 사용하여 2D 또는 3D 구조를 인쇄하는 데에 유용한 적층 제조 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 전기 수력학적 바이오 프린터 시스템 및 방법에 관한 것이다.
관련 출원
본 출원은 미국 가출원 제62/642,588호(2018년 3월 13일자로 출원됨)에 관한 것이며, 이 출원은 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로 포함된다. 본 출원은 미국 가출원 제62/642,588호에 적용 가능한 우선권을 주장한다.
조직 공학 및 재생 의학은 세계의 장기 부족 문제를 해결하고, 동물 실험을 대체하며, 인간이 더 오래 건강한 삶을 살 수 있게 하는 잠재력을 갖고 있다. 바이오 인쇄는 최근 세포 및 다른 재료를 정확하게 배치하여 조직 구성물을 생성하는 데에 유용한 도구가 되었다. 열 잉크젯 인쇄, 피에조 기반 잉크젯 인쇄, 공압 압출, 포지티브 변위 압출, 레이저 지원 바이오 인쇄, 및 융합 필라멘트 제조(융합 퇴적 모델링(fused deposition modeling) 또는 FDM이라고도 공지됨)를 포함하는 종래의 바이오 인쇄 기술이 존재한다.
대부분의 바이오 인쇄 기계는 단 하나의 바이오 인쇄 기술, 예를 들어 공압 압출로 제한된다. 그러나, 단일 인쇄 세션이 복잡한 조직 구성물에 필요할 수 있는 다수의 바이오 인쇄 방법으로부터 이익을 얻을 수 있도록 다수의 바이오 인쇄 기술을 하나의 기계에 결합하는 것이 유용하다.
재료를 퇴적하기 위해 강한 전기장을 사용하는 다른 고급 제조 기술이 존재하며, 그러한 기술은 전기 수력학적 인쇄(electrohydrodynamic printing)(EHDP) 기술로 지칭될 수 있다. 그러한 EHDP 기술은 통상적으로 세포 퇴적을 수반하지 않는 용례에 사용되지만, EHDP 기술은 세포와 함께 사용되었으며 일종의 바이오 인쇄로 고려될 수 있다. EHDP 기술은 전기 방사(electro-spinning), 전기 분무(electro-spraying), 및 EHDP 액적 분사(전기 액적 분사(electro droplet jetting) 또는 EDJ라고도 지칭됨)를 포함하며 세포가 있거나 없이 수행될 수 있다.
EHDP가 더 진보되었지만, 종래의 바이오 인쇄 기술은 여전히 유용하다. EHDP만으로 심지어는 50 나노미터 미만의 매우 정밀한 구조를 생성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. EHDP만으로 또한 어떠한 것이든 많은 경우에 세포에 임의의 손상을 주지 않고 세포를 인쇄할 수 있는 것으로 밝혀졌다. EHDP는 특정 양태에서 종래의 기술을 능가하지만, 종래의 기술은 여전히 바이오 인쇄에 유용하다. EHDP 기술을 종래의 바이오 인쇄 기술과 결합하는 기계에 대한 요구가 관련 분야에 존재한다.
본 개시내용 및 그 특징에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취한 다음의 설명을 참조한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 3D 프린터 시스템의 개략도를 도시하고;
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 프린트 헤드의 내부 혼합 버전의 개략도를 도시하며;
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 프린트 헤드의 매니폴드 버전의 개략도를 도시하고;
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 대안적인 유형의 압전 프린트 헤드의 단면도를 도시하며;
도 5는 미리 정해진 방식으로 다수의 빌드 재료를 수용하기 위한 웰(well)을 갖는 대안적인 인쇄 표면의 단면도를 도시하고;
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 압출 기술을 수용하는 바이오 인쇄 플랫폼을 도시하며;
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른, FDM 압출기를 사용하여 인쇄된 다공성의 이식 가능한 이어 스캐폴드(ear scaffold)를 도시하고;
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른, 3개의 공압 압출기를 사용한 삼중 동심 원형 인쇄물을 도시하며;
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 히드로겔 재료에 의한 노오즈-형상 인쇄물을 도시하고;
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른, PDMS를 FDM-인쇄된 ABS 몰드로 캐스팅함으로써 형성된 가요성 이어-형상 PDMS 구성물을 도시하며;
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른, 가요성의 얇은 관형 PDMS 구성물을 도시하고;
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 금속 막대에서 빼낸 나노섬유 혈관 스캐폴드를 도시하며;
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른, 전기 수력학적 프린트 헤드로 인쇄된 서로 수직으로 정렬된 나노섬유를 도시하고;
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 혈전의 시뮬레이션을 돕기 위해 인쇄된 혈관 모델을 도시하며;
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 바이오 인쇄 시스템에 의해 생성된 분지 혈관 모델을 도시한다.
본 개시내용의 요약
본 개시내용의 실시예에 따르면, 종래의 바이오 인쇄 및 전기 수력학적 인쇄(EHDP) 모두의 결합된 능력을 또한 갖는 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 재료의 공압 압출을 지원하는 공압 시스템을 포함하고 또한 EHDP를 지원하는 고전압 전원을 포함한다. 디바이스는 또한 통합형 용적식 펌프(positive displacement pump)를 가질 수 있다. 고전압 전원은 시간이 지남에 따라 안정되거나 온 및 오프 펄싱, 사인파와 같은 파동, 또는 임의 파형과 같은 매우 특정한 파형을 갖는 고전압을 제공하는 방식으로 제어할 수 있는 전압을 공급할 수 있다. 인쇄 중에 각각의 EHDP 압출기의 파라미터는, 예를 들어 전압, 유량, 압력, 파형 및 온도를 포함하여 독립적으로 제어될 수 있다. 인쇄 역학을 시각화하는 모니터링 시스템이 또한 디바이스에 포함될 수 있다. 압출기 오프셋 교정, 인쇄 파라미터 최적화, 결합된 바이오 인쇄 방식 인쇄 등과 같은 시스템을 사용한 인쇄 및 교정 방법이 또한 설명된다. 기계에 의해 실행되는 인쇄 기술은 세포가 있거나 없이 수행될 수 있다.
아래의 상세한 설명을 설명하기 전에, 본 특허 문서 전체에 걸쳐 사용되는 특정 단어 및 문구의 정의를 기재하는 것이 유리할 수 있다.
적층 제조(Additive Manufacturing) - 물체를 생성하기 위해 재료가 (일반적으로 층별로) 퇴적 또는 형성되는 방법.
바이오 인쇄(Bioprinting) - 인쇄된 재료가 살아있는 재료를 포함하거나 살아있는 시스템에 사용되는 적층 제조의 카테고리를 지칭하는 데에 사용되는 용어. 예로는, 줄기 세포를 포함하는 히드로겔의 인쇄, 인쇄 후 세포가 분주(seed)될 겔 또는 스캐폴드의 인쇄, 장기의 인쇄, 인간 또는 다른 동물에 사용될 수 있는 보철물의 인쇄를 포함한다.
전기 수력학적 인쇄(Electrohydrodynamic printing) - 약어로 EHDP - 퇴적될 재료가 전기장의 촉진과 함께 운반되는 적층 제조 방법.
EDJ - 전기 액적 분사(electro-droplet jetting)의 약어 - 이 특허에서 짧은 전기장 펄스로 인해 액적이 오리피스 또는 표면으로부터 방출되게 되는 EHDP 기술을 지칭한다.
압출기(Extruder) - 재료를 인쇄 표면 상에 퇴적하는 데에 사용되는 도구. 흔히, 이는 부착된 바늘에서 재료를 밀어낼 수 있는 주사기 배럴이지만, 다른 유형의 장치도 압출기로 지칭될 수 있다. 또 다른 예는 플라스틱 필라멘트를 용융시키고 노즐 밖으로 밀어내는 장치이다.
FDM - Fused Deposition Modeling FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 열가소성 인쇄로도 공지되어 있다. 그것은 용융된 열가소성 수지를 층별로 퇴적하여 3차원 물체를 생성하는 적층 제조 기술이다.
프린트 헤드 - 갠트리 상에 장착되어 적어도 하나의 제조 도구가 장착되게 하며 도구의 이동을 적어도 일차원으로 운반하는 물체. 프린트 헤드는 또한 압출 도구 자체를 지칭할 수 있다.
프린터 - 이 용어는 제조 및 신속한 프로토타이핑에 사용되는 전체 시스템 및 장치를 나타내는 데에 사용된다.
인쇄 표면 - 통상적으로 이는 프린트 헤드로부터 압출된 재료가 퇴적되는 표면이다. 표면은 평면형이거나 곡선형일 수 있다. 표면은 유기 또는 무기일 수 있다. 표면은 고정식 또는 비고정식일 수 있다. 예를 들어, 인쇄 표면은 평탄한 스테인리스강 시트일 수 있거나 움직이는 손일 수 있다. 본 개시내용의 일 실시예에서, 인쇄 표면은 살아있는 조직일 수 있다. 본 개시내용의 다른 실시예에서, 인쇄 표면은 나노 다공성 또는 미공성일 수 있다.
용어 "포함한다(include)" 및 "포함한다(comprise)" 뿐만 아니라 그 파생어는 제한없는 포함을 의미하고; 용어 "또는"은 포괄적이고 및/또는을 의미하며; 문구 "~와 관련된" 및 "그와 관련된" 뿐만 아니라 그 파생어는, ~를 포함하는, ~내에 포함되는, ~를 포함하는(contain), ~내에 포함되는(be contained within), ~에 또는 ~와 연결하는, ~에 또는 ~와 결합하는, ~와 연통 가능한, ~와 협력하는, ~를 인터리빙하는, ~를 병치하는, ~에 근접한, ~에 또는 ~와 결속된, ~를 갖는, ~의 속성을 갖는 등을 의미할 수 있다. 항목의 리스트와 함께 사용될 때 문구 "~중 적어도 하나"는 나열된 항목 중 하나 이상의 상이한 조합이 사용될 수 있으며, 리스트에서 하나의 항목만 필요할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나"는 다음의 조합 중 임의의 것을 포함한다: A; B; C; A와 B; A와 C; B와 C; 그리고 A와 B와 C. 특정 단어 및 문구에 대한 정의가 본 특허 문서 전체에 걸쳐 제공되며, 본 기술 분야의 숙련자는 대부분의 경우는 아니지만 그러한 정의가 그러한 정의된 단어 및 문구의 이전 및 향후 사용에 적용된다는 것을 이해해야 한다.
상세한 설명
이하에 설명되는 도면, 및 본 특허 문서에서 본 개시내용의 원리를 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시예는 단지 예시를 위한 것이며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 어떠한 방식으로도 해석되어서는 안된다. 본 기술 분야의 숙련자는 본 개시내용의 원리가 임의의 유형의 적절하게 배치된 디바이스 또는 시스템에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 도면은 반드시 실척으로 작성되지는 않는다.
널리 공지된 프로세스 및 구성요소는 상세히 설명되지 않았으며 간결성을 위해 생략되었음이 이해될 것이다. 특정 단계, 구조 및 재료가 설명되었을 수 있지만, 본 개시내용은 그러한 특정으로 제한되지 않을 수 있으며, 본 기술 분야의 숙련자에 의해 잘 이해되는 바와 같이 다른 것으로 대체될 수 있고, 다양한 단계가 반드시 도시된 순서로 수행되지 않을 수 있다.
본 개시내용은 재생 의학 및 조직 공학에 적용하기 위한 개선된 디바이스에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 스캐폴드, 조직 및 장기를 제조하기 위한 디바이스, 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 설명된 디바이스 및 방법은 바이오 인쇄 용례에 제한되지 않고 일반적으로 적층 제조에 포함될 수 있다.
종래의 바이오 인쇄 기술은 공압 기반 압출, 융합 퇴적 모델링 압출, 용적식 압출, 마이크로 밸브 분사, 압전 기반 잉크젯 압출, 및 열 잉크젯 압출을 포함한다. 바이오 인쇄를 위한 대부분의 상용 시스템은 공압식 또는 용적식 기반이다.
전기 수력학적 인쇄(EHDP) 기술은 퇴적되는 재료의 움직임이 주로 전기장에 의해 유발되는 방법이다. EHDP는 전기 방사, 전기 분무, 및 전기 분사를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 기술을 포함한다. 전기 방사는 일반적으로 매우 미세한 재료 스레드를 인쇄한다. 전기 분무는 일반적으로 미세한 전기적으로 대전된 액적의 분무를 초래한다. 전기 액적 분사(EDJ)는 일반적으로 표면 또는 오리피스로부터 하나씩 재료의 액적 또는 짧은 스트림을 방출한다. EHDP 방법은 압출되는 재료와 혼합되는 세포가 있거나 없이 수행될 수 있다. 세포와 함께 EHDP를 사용하면 높은 세포 생존력이 초래되고 특정한 경우에 세포 손상이 거의 또는 전혀 발생하지 않는 것으로 이미 밝혀졌다.
바람직한 실시예에서, 제조 디바이스는 디바이스가 종래의 바이오 인쇄 기술을 수행하고 동일한 인쇄 세션 내에서 EHDP 기술을 수행하게 하는 장비를 포함한다. 디바이스는 그 하우징 내부 또는 외부에 AC 또는 DC 전압에 의해 전력이 공급되는 고전압 DC 전원을 포함할 수 있다. 전원으로부터의 최대 전압은 100 볼트에서 최대 10만 볼트의 범위일 수 있다. 통상적으로, 전원으로부터의 최대 전압은 1,000 볼트 내지 3만 볼트 범위이다.
고전압 전원은 수동으로 제어되는 출력 전압을 가질 수 있다. 수동 제어된 전원은 사용자가 원하는 전압을 선택하게 하는 노브 또는 사용자 인터페이스를 가질 수 있다. 고전압 전원을 위한 사용자 인터페이스는 사용자가 주파수, 듀티 사이클, 강도, 상승 시간, 하강 시간 및 전원 출력 능력과 관련된 다른 파라미터와 같은 펄싱 파라미터를 포함하여 다양한 파형을 선택하게 할 수 있다. 인터페이스는 다양한 설정이 저장되게 할 수 있으므로 버튼을 눌러 설정 그룹을 저장하고 리트리빙하며 적용할 수 있다.
임의로, 전압은 사용자가 단말기에 입력하거나 버튼을 눌러 개시되는 g-코드 명령으로 제어될 수 있다. 임의로, 전압 제어 g-코드 명령은 슬라이싱 소프트웨어(slicing software) 또는 후처리 스크립트에 의해 생성될 수 있다. 임의로, 펌웨어는 전압을 직접 제어한다. g-코드는 펌웨어에 의해 임의로 해석되어 전압 소스 출력의 특정 파형 또는 예상 거동을 개시할 수 있다. g-코드 명령은 또한 인가된 전압의 다양한 다른 특성 또는 본 특허에서 이전 또는 이후에 언급된 임의의 다른 파라미터 또는 설정을 임의로 제어할 수 있다.
특정 화학 물질, 분자 또는 이온의 농도는 특정 화학 물질, 분자 또는 이온을 저장조 내에 혼합하는 g-코드 명령 또는 일부 다른 인터페이스를 사용하여 조정될 수 있다. 이는 인쇄 중간, 인쇄 전, 또는 인쇄 파라미터 및 설정의 교정 중에 수행될 수 있다. 혼합은 자석 및/또는 전자석을 사용하여 용이하게 될 수 있다. 예를 들어, 자석을 주사기 내부에 배치하고 전자석을 주사기 외부에 배치하여 혼합 명령이 수신될 때 자석의 회전을 제어할 수 있다. 다른 혼합 방법이 또한 사용될 수 있다. 혼합 방법은, 예를 들어 침전을 방지하거나 열 분배를 돕기 위해 재료에 있을 수 있는 세포를 혼합하는 데에 사용될 수 있다.
고전압 전원은 또한 인쇄 동안 조정된 방식으로 자동 제어되는 출력 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 사용자는 제조 디바이스에 내장되거나 그 외부에 있는 컴퓨터에 인쇄 파라미터 및 옵션을 미리 준비할 수 있다. 사용자는 인쇄될 각각의 재료에 대해 원하는 인쇄 및 전압 파라미터를 선택할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 EHDP를 받을 3개의 재료 각각에 대해 3개의 상이한 유량을 선택한 다음, 각각에 대해 상이한 전압, 상이한 주파수, 듀티 사이클, 및 다른 파라미터를 선택할 수 있다. 인쇄 중에, 압출기가 활성화되면, 사용자가 컴퓨터 상의 인쇄 설정 중에 이전에 선택한 설정은 이제 활성 압출기 또는 압출기들에 대해 활성화된다. 한 번에 하나의 압출기만 압출하려는 경우, 하나의 압출기가 활성화되면, 다른 압출기는 비활성화되고 각 압출기가 차례로 그 인쇄물의 부분을 인쇄한다.
일 실시예에서, 단 하나의 고전압 소스가 사용되며, 독립적으로 인쇄될 각각의 개별 재료에 원하는 전압을 인가하기 위해 기술이 사용된다. 각각의 압출기가 상이한 전압을 필요로 하면, 단일의 고전압 전원이 자동으로 그 출력 전압을 활성 압출기가 필요로 하는 전압으로 변경하고 활성화되는 모든 압출기에 대한 출력 전압 특성을 변경할 수 있다. 임의로, 하나 초과의 출력 단자를 갖는 전압 소스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 소스는 제조 디바이스에서 사용될 수 있는 모든 압출기에 대해 하나의 출력을 가질 수 있거나, 나중에 설명되는 하나 이상의 편향 판 또는 하나 이상의 포커싱 링과 같은 프린터의 다른 양태에 대해 더 많은 출력을 가질 수 있다. 대안적으로, 다수의 전압 소스가 사용될 수 있다.
사용자는 또한 제조 디바이스와 함께 사용하기 위한 맞춤형 전압 또는 전류 파형을 생성할 수 있다. 사용자는 다음과 같은 비제한적인 옵션 중 하나 이상을 사용하여 파형을 생성하거나 특정할 수 있다: 터치 스크린의 사용, 수학 방정식의 입력, 또는 특정될 수 있는 파라미터가 있는 매우 다양한 템플릿 파형으로부터의 선택. 사용자는 액적 크기 및 스레드 폭을 포함하지만 이에 제한되지 않는 인쇄된 재료의 원하는 특성을 어떤 방식으로든 설명하거나 선택하여 간접적으로 파형을 특정할 수 있다. 이 경우, 소프트웨어 프로그램은 원하는 특성 및 임의로 다른 인쇄 파라미터(압출기 오리피스에서 인쇄 표면까지의 거리, 공기 온도, 습도, 재료 온도, 및 다른 파라미터 등)를 취하고, 원하는 인쇄 설정(예를 들어, 전압 강도, 주파수, 듀티 사이클, 및 파형 등) 중 하나 이상의 근사치를 결정한다. 임의로, 교정 시퀀스는 인쇄 설정이 교정 시퀀스의 각 반복을 통해, 또는 교정 프로세스 전체에 걸쳐 지속적으로 최적화되도록 자동 또는 반자동 또는 수동으로 실행될 수 있다.
사용자가 선택하거나 생성할 수 있는 전압 파형의 예는, 구형파, 정현파, 지수, 시소(see-saw), 전압의 느린 램프 업(초 또는 분의 기간에 걸쳐), 빠른 램프(반복 사이클의 기간에 걸쳐), 삼각파, 복합파, 또는 비선형이 있다. 주어진 파형 예는 DC 또는 AC 파형일 수 있다. 주어진 예는 제한되지 않으며 사용자는 주어진 예의 임의의 조합을 사용할 수 있다.
교정 프로세스는 이미지 또는 비디오를 캡처하고 이들을 실시간으로 처리하거나 나중에 처리하기 위해 저장하는 하나 이상의 카메라를 임의로 사용할 수 있다. 예를 들어, 카메라는 전기 방사 중에 바늘로부터 당겨지는 재료 스레드의 이미지를 캡처할 수 있으며, 또한 전기 방사되는 용액에 세포가 존재하는 경우 세포의 이미지를 캡처하기 위해 형광 촬상의 사용이 임의로 동반될 수 있다. 알고리즘은 스레드의 폭을 결정하고 바늘이나 용액에 인가되는 전압을 자동으로 조정할 수 있거나, 유량이 조정될 수 있거나, 또는 인쇄 표면에 대한 바늘의 높이가 또한 조정될 수 있어, 특히 사용자가, 예를 들어 원하는 폭으로 입력한 것과 보다 긴밀하게 일치하도록 설정을 최적화하여 스레드 폭을 조정할 수 있다. 사용자는 알고리즘의 피드백을 기반으로 하여 어떤 인쇄 설정을 조정해야 하는 지를 임의로 선택할 수 있다.
인쇄 표면은 그 자체가 접지될 수 있거나, 표면 또는 다른 물체가 인쇄 표면 아래에서 접지될 수 있다. 전원으로부터의 고전압은 압출기 또는 저장조의 바늘, 또는 저장조 자체, 또는 용액 자체로 지향될 수 있다. 임의로, 저장조 자체 또는 부착물은 하나 이상의 오리피스가 있는 표면을 가질 수 있다. 임의로, 저장조 또는 저장조에 대한 부착물은 인쇄될 재료의 스레드 또는 액적의 다수의 스트림을 생성하기 위해 재료가 수많은 오리피스로부터 빠져나오게 하도록 1,000 또는 10,000개 이상의 오리피스와 같은 수많은 오리피스를 가질 수 있다. 임의로, 고전압은 모든 또는 일부 압출기에 동시에 인가될 수 있다. 임의로, 고전압은 편향 판, 링 또는 다른 물체에 인가될 수 있다. 임의로, 편향 판, 링 또는 다른 물체에 대한 전압 값은 전압 분배기, 전압 조절기, 또는 더 적은 수의 전압 소스를 사용하여 하나의 소스로부터 상이한 값의 전압을 생성하게 하는 일부 다른 수단을 사용하여 제어된다.
압출기는 인쇄 표면 위에 위치될 수 있으며 바늘이 사용되는 경우, 인쇄 표면으로 지향될 수 있다. 대안적으로, 압출기는 인쇄 표면으로 직접 지향되지 않을 수 있고, 예를 들어 인쇄 표면에 직교하여 지향될 수 있다. 임의로, 인쇄 표면은 압출기 위에 또는 측면에 위치될 수 있다. 인쇄 표면은 평탄한 표면, 파형 표면, 원통형 수집기, 회전 맨드릴, 고정식 수집기 세트, 또는 어떤 임의적 형상 또는 형상 세트일 수 있다. 인쇄 표면은 고정식이거나 압출기와 독립적으로 또는 함께 이동할 수 있다. 인쇄 표면은 반드시 직접 접지될 필요는 없다. 인쇄 표면은 표면과 접지 표면 사이에 배치된 저항성 또는 유전성 재료를 가질 수 있다.
접지된 바늘 또는 얇은 물체는 인쇄된 재료의 방향을 포커싱하는 데에 일조하기 위해 국소적인 접지 지점으로 작용하도록 인쇄 표면 아래에 배치될 수 있다. 이 접지된 바늘 또는 얇은 물체는 고정식이거나 인쇄 표면의 다른 쪽에 있는 압출기와 동기하여 XY 차원에서 이동할 수 있다. 활성 압출기와 XY 차원에서 동기화하여 이동하는 한 가지 목적은 인쇄되는 재료의 초점을 높이는 것이다. 대안적으로, 인쇄 표면은, 그 내부 또는 그 아래 또는 그 위에, 서로 독립적으로 접지될 수 있거나, 또는 전기장의 형상을 제어하고 압출된 재료의 퇴적을 안내하기 위해 전압이 서로 독립적으로 제어될 수 있는 물체(전극 등)의 어레이를 포함할 수 있다. 이는 재료의 퇴적을 제어하는 것을 일조하는 데에 사용될 수 있다. 이 경우 인쇄 표면은 유전성이거나 전도도가 낮거나 약간의 저항을 가질 수 있으며 임의로 접지될 수도 있다.
언급된 임의의 실시예에서 접지를 인가하는 것에 대한 대안으로서, 대신에 음전압이 인가될 수 있다. 또한, 양, 음, 0, DC 또는 AC일 수 있는 전압 파형이 인가될 수 있다.
바늘 근방의 다른 전극에 고전압이 인가될 수 있다. 전극 또는 전극들은, 예를 들어 링, 원통, 원추 또는 판의 형상일 수 있다. 이들 전극은 프린트 헤드나 프린터 프레임 또는 다른 곳에 장착할 수 있으며 고정식일 수 있다. 이들 전극은 압출기의 움직임에 대해 임의로 모션리스(motionless)일 수 있다. 임의로, 전극은 압출기와 함께 이동할 수 있지만, 자동 또는 수동으로 상이한 압출기 근방으로 이동될 수 있다. 이는 각기 상이한 압출기에 동일한 전극을 사용하는 데에 유용할 수 있다. 임의로, 상이한 전극 또는 판에 상이한 전압이 인가될 수 있다. 압출기 출구 오리피스에 대한 전극의 거리는 임의로 자동 또는 수동으로 임의의 차원에서 증가 또는 감소될 수 있다. 예를 들어, 압출기 바늘로부터 전극의 거리는 교정 프로세스 중에 조정될 수 있다. 또 다른 예로서, 압출기 바늘로부터 전극의 거리는 스테퍼 모터 및 나사형 막대를 사용하여 인쇄물 중간에서 조정될 수 있다. 전극은 압출된 재료의 초점을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 전극은 또한 임의로 정류자의 도움으로 원하는 속도로 압출기 둘레에서 회전될 수 있다. 임의로, 각각의 전극은 인쇄 전, 후 또는 도중에 언제든지 액추에이터를 사용하거나 수동 조작에 의해 독립적으로 이동될 수 있다.
일 실시예에서, 압출기 근방의 전극은 압출된 재료가 조정된 방식으로 퇴적되게 하는 방식으로 배치되고 대전될 수 있다. 일 예에서, 3개의 독립적인 고전압 소스가 사용되어 압출기의 바늘을 둘러싼 3개의 전극을 대전시키고, 1개의 전압 소스가 사용되어 압출기로부터 재료의 간헐적인 분사를 생성하고, 각 전극의 전압은 각각의 방출되는 액적에 대해 조정되어 각각의 액적은 퇴적된 액적의 어레이를 형성하도록 제어된 방식으로 퇴적된다. 3개 이상의 전극이 사용되어 재료를 인쇄된 표면 상의 특정 위치로 안내할 수 있다.
일 실시예에서, 상이한 재료를 유지하는 다수의 저장조는 재료를 서로에 근접하게 지향시키는 튜브 또는 바늘을 갖는다. 이는 각각의 재료에 대한 모든 출구 오리피스를 전극 또는 전극 그룹의 중앙 근방 영역으로 가져오는 데에 유용할 수 있다.
소프트웨어 프로그램은 원하는 효과를 달성하기 위해 상이한 인쇄 방식을 결합하는 최선의 방식을 제안하거나 결정하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 소프트웨어를 사용하여 원하는 결과를 달성하기 위해 인쇄 동안 전압 파형이 시간에 따라 어떻게 변해야 하는 지를 자동으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 인쇄된 재료의 높이가 높아짐에 따라 인쇄 중에 전기 방사 또는 전기 분무 전압을 증가시키는 것이 바람직하다. 소프트웨어 프로그램은 원하는 결과를 획득하기 전압이 어떻게 수정되어야 하는 지를 임의로 예측할 수 있다. 인쇄된 재료는 잠재적으로 고전압으로 생성된 전기장을 막거나 약화시킬 수 있으므로, 층이 축적될 때 전압을 어떻게 증가시켜야 하는 지를 결정하는 소프트웨어 프로그램이 있으면 도움이 된다.
조직 스캐폴드와 같은 구조를 인쇄하는 방법은 재료 압출기의 출구 오리피스 주변 또는 근방에서 고전압 상태인 하나 이상의 전극을 회전시키는 동시에 또한 전극 또는 전극들에 인가되는 전압을 조정함으로써 또는 오리피스까지의 거리와 같은 다른 파라미터를 조정함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 압출기의 바늘은 고전압으로 대전될 수 있고 구리 전극 판은 상이한 고전압으로 설정되어 바늘의 좌측에 있을 수 있다. 이어서, 재료가 압출되는 동안 전극을 바늘 주변에서 빠른 속도로 회전시킬 수 있다. 이는 액적의 스레드 또는 스트림이 인쇄 표면 상에 원형 패턴으로 퇴적되도록 재료가 전극으로부터 밀려나게 한다. 그러나, 이 방식으로 압출 중에 전극에 대한 전압이 점진적으로 감소되면, 액적의 스레드 또는 스트림은 점진적으로 점점 더 작은 원형 패턴으로 퇴적된다. 유량, 전극의 회전, 및 전극의 전압 조정이 적절히 설정되면, 전압을 2개의 레벨로 제어하는 것만을 필요로 하면서 단층 인쇄를 매우 빠르게 수행할 수 있다.
인쇄의 대안적인 방법은 바늘 주변에 모션리스 전극을 갖고 조정된 전압을 전극에 인가하여 인쇄 표면 상의 특정 위치로 재료의 유동을 지향시키는 것이다. 이는 대전된 전자의 움직임을 스크린 상의 정확한 스폿을 향해 지향시킬 때 음극선관 텔레비전이 작동하는 방식과 유사하다.
일 실시예에서, 인쇄 표면은, 다른 것을 위한 공간을 수용하거나 제조 디바이스가 더 작게 제조될 수 있도록 하기 위해 압출기가 정렬된 동일한 차원에서 이동하도록 구동될 수 있는 평탄하고 얇은 시트이다. 예를 들어, 압출기가 좌측-우측 방향(프린터와 마주하는 사용자로부터 볼 때)으로 나란히 정렬된 경우, 인쇄 표면은 동일한 좌측-우측 방향으로 이동하도록 구동될 수 있다. 인쇄 동안, 표면은 내내 우측으로 이동되어 압출기가 인쇄 표면의 좌측 절반에만 도달할 수 있게 할 수 있다. 이어서, 인쇄 표면의 우측 절반이 필요하면, 액추에이터가 스테이지를 내내 좌측으로 이동시켜, 압출기가 이제 인쇄 표면의 우측 절반에 액세스할 수 있다. 이 방법을 사용하면, 인쇄 표면의 한쪽 절반을 인쇄에 사용할 수 있고, 다른 절반은 임의의 EHDP 압출기 또는 임의의 다른 압출기를 교정하는 영역으로 사용할 수 있다. 대안적으로, 인쇄 표면의 한쪽 절반은 인쇄 전, 후 또는 중간에 인쇄를 위한 압출기를 세정하거나 준비하는 다양한 메커니즘 및 방법을 포함하는 세정 스테이션으로 사용할 수 있다.
인쇄 표면 또는 인쇄 표면이 장착되거나 놓이는 것은 모듈식 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 사용자는 하나 이상의 엄지 나사를 풀어 인쇄 표면을 제거하고 다른 것으로 대체할 수 있다. 이는 상이한 크기의 페트리 접시나 다른 종류의 용기나 표면에 상이한 스테이지가 필요한 경우에 유용할 수 있다. 또한, 특수 온도 제어 능력 또는 전기 단자 또는 내장 카메라 또는 내장 전극 어레이와 같은 내장 특징을 갖는 인쇄 표면을 사용하는 데에 유용할 수 있다.
추가로, 디바이스는 하우징 내부 또는 외부에 주사기 펌프와 같은 하나 이상의 용적식 펌프를 가질 수 있다. 용적식 펌프는 대안적으로 프린트 헤드 상에 위치될 수 있다. 용적식 펌프의 목적은 각각의 저장조로부터 압출되는 재료의 유량을 제어하는 것이다. 펌프는 프린트 헤드 상에 위치될 수 있거나 프린터 내부 또는 외부의 다른 곳에 위치될 수 있다. 프린트 헤드의 외부에 위치된 경우, 튜브 또는 채널은 장착되는 프린트 헤드 영역으로 재료 유동을 지향시키고 프린트 헤드와 함께 이동한다.
일 실시예에서, 분배된 재료가 인쇄 프로세스 동안 인쇄된 재료를 지지하는 전기 유변학적 매체를 수용하는 통으로 인쇄되는 인쇄 방법이 수행된다. 통 내부의 표면들 사이에 인가된 전압은 전기 유변학적 매체의 점도 또는 전단 항복 응력을 제어할 수 있다. 인쇄 중에, 전압을 특정 레벨로 설정하여 인쇄된 물체를 지원할 원하는 속성을 획득할 수 있다. 인쇄가 행해진 후, 전압을 낮추거나 제거하여 인쇄된 물체가 쉽게 회수되게 할 수 있다.
앞서 언급한 실시예와 유사하게, 자기 유변학적 매체를 대신 사용할 수 있고 점도 또는 전단 항복 응력은 전기장 대신 자기장으로 제어된다. 자기장의 소스는 자석이나 전자석일 수 있다. 이전 실시예에 대한 대안으로, 3차원 지지 재료는 세포를 포함할 수 있다. 지지 재료는 유체, 겔, 입상 고체, 또는 입상 겔일 수 있다.
제조 디바이스는 또한 디바이스가 공압 압출을 목적으로 또는 다른 종래의 바이오 인쇄 기술의 실행을 위해 가압 가스를 흡입하게 하는 장비를 포함할 수 있다. 디바이스는 또한 압력을 공급하기 위해 압축기 또는 압축 가스 챔버를 포함할 수 있다. 가압 가스는 또한 용적식 펌프를 사용하는 대안으로 EHDP에 사용되는 저장조로부터 재료 유동을 생성하는 데에 사용될 수 있다.
저장조 및 재료의 온도를 제어할 수 있다. 인쇄 표면 온도가 또한 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 디바이스는 개폐될 수 있는 도어를 가지며, 폐쇄될 때 기밀식 또는 거의 기밀식 시일을 생성하여 디바이스의 메인 챔버 내외로의 공기 누설이 거의 또는 전혀 없도록 한다. 청정한 공기가 챔버로 유입되어 챔버 내에 양압을 생성함으로써 공기 유동이 항상 챔버를 빠져나가고 챔버로 들어가지 않는 것을 보장할 수 있다(의도적으로 유입되는 청정한 공기는 제외). 챔버 도어가 폐쇄될 때 주변 온도, 습도, 및 주변 공기의 가스 농도가 또한 제어될 수 있으며 g-코드, 그래픽 사용자 인터페이스, 또는 다른 방법으로 제어될 수 있다. 게다가, 임의적인 능력은 기계 외부의 압력보다 높거나 낮은 압력 내에서 실험을 실행할 수 있도록 디바이스 내의 압력을 제어하는 것이다. 예를 들어, 전기 방사 중에 용매의 증발률에 영향을 미치고 궁극적으로 섬유 직경, 공극률, 및 인쇄된 재료의 다른 특성과 같은 다양한 항목을 조정하기 위해 디바이스의 내부 압력을 진공에 가까운 값으로 설정한 상태에서 전기 방사를 수행할 수 있다.
제조 디바이스는 디바이스 내부의 무균성을 손상시키지 않으면서 제조된 구조를 취급하거나 기계 내부와 상호 작용하게 하도록 유닛의 프레임 또는 도어에 내장된 멸균 가능한 장갑을 포함할 수 있다. 디바이스는 특별히 디바이스와 인터페이스하도록 제조된 다른 디바이스의 프레임과 인터페이스할 수 있는 프레임의 일부를 가질 수 있다. 이는 사용자가 무균 환경을 벗어나지 않고 인쇄된 물체를 다른 디바이스로 전달하기를 원하는 상황에 유용할 수 있다. 예를 들어, 제조 디바이스는 각각의 디바이스의 프레임에 내장된 인터페이스를 통해 연결되기 때문에 임의의 디바이스의 도어를 개방하지 않고도 사용자가 생물 반응기, 인큐베이터, 또는 다른 디바이스와 인터페이스할 수 있다.
제조 디바이스는 제조 디바이스의 기능을 풍부하게 하기 위해 여러 서브 시스템을 포함한다. LED 또는 다수의 광원과 같은 광원을 프린트 헤드에 장착하여 경화성(가교성) 재료를 경화하는 도구로 사용할 수 있다. 스테퍼 모터와 같은 액추에이터는 각각의 압출기 또는 도구에 대해 존재하여 다른 압출기 또는 도구와 독립적으로 위아래로 이동하게 할 수 있다. 디지털 현미경 또는 현미경들은 압출기 근방의 프린트 헤드 상에 장착되며 압출기에 대해 고정되어 있어 사용자가 실시간으로 압출을 모니터링하거나 인쇄를 모니터링하게 할 수 있다. 디바이스는 또한 소프트웨어 기반 오토 레벨링 또는 기계적 구동식 오토 레벨링을 수행하기 위해 센서, 액추에이터, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 디바이스는 또한 각각의 압출기 오리피스의 XY 및 임의적으로 Z 교정을 수행하기 위해 센서, 액추에이터, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
오프셋 교정 방법은 기계에 의해 수행될 수 있다. 방법은 하나 이상의 초음파 송신기 및 수신기를 사용하는 것으로 구성된다. 압출기의 바늘은 Y 차원에서 서로 정렬된 송신기와 수신기 근방으로 가져갈 수 있다. 이어서, 위치 및 센서 데이터가 기록되거나 분석되는 동안 바늘을 송신기와 수신기 사이에서 전후로 이동시킬 수 있다. 데이터는 Y 차원에서 바늘의 중앙을 찾는 데에 사용될 수 있다. 이는 X 차원에 대해 반복될 수 있다. 초음파를 차단하는 재료의 작은 핀홀 개구가 수신기의 전방에 위치 설정될 수 있다. 바늘은 핀홀을 차단하기 위해 이동하도록 될 수 있으며, 바늘은 핀홀이 차단 해제될 때까지 상향으로 이동될 수 있다. 이 절차 중에, 위치 데이터가 저장 또는 분석되고 이 데이터 또는 분석으로부터 Z 오프셋을 획득할 수 있다. 이 프로세스를 반복하여 더 많은 판독값을 획득할 수 있고 결과를 평균화할 수 있다. 다수의 압출기에 대해 전체 프로세스를 반복할 수 있다. 오프셋 교정 프로세스뿐만 아니라 다른 교정 프로세스는 인쇄 전, 인쇄 도중 또는 인쇄 후에 발생할 수 있으며 사용자에 의해 언제든지 또는 인쇄 중에 규칙적인 간격으로 개시될 수 있다. 송신기와 수신기 사이의 거리는 수동 또는 자동으로 조정되어 얇은 바늘의 교정에서 대형 FDM 노즐의 교정으로 전환할 때 유용한 더 크거나 작은 도구를 수용할 수 있다. 설명된 오프셋 교정은, 제한되지 않지만 송신기로서 레이저 또는 LED, 수신기로서 감광 센서와 같은 대안적인 송신기 및 수신기를 사용하여 수행될 수 있다.
오프셋 교정의 대안적인 방법이 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 노즐 또는 바늘 또는 다른 출구 오리피스(이 실시예에서 바늘이 사용됨)는 2쌍의 센서 사이에서 자동 또는 수동으로 이동하도록 제조될 수 있다. 센서는 서로 마주보고 X 또는 Y 또는 Z 차원에서 정렬될 수 있다. 바늘은 각각의 센서가 데이터를 캡처하는 동안 X, Y 또는 Z 차원에서 센서간에 전후로 이동될 수 있다. 데이터는 바늘의 상대적 또는 절대적 오프셋을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 바늘은 X 및 Y 차원에서 전후로 이동하고 각각의 센서의 출력이 거의 동일해질 때까지 다양한 XY 좌표로 이동할 수 있다 - 그러면 해당 좌표가 다른 바늘과 비교하여 바늘의 상대적 오프셋을 결정하는 데에 도움이 된다. 사용될 수 있는 센서 유형의 예로는 용량성, 정전기 또는 유도성을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 바늘, 노즐, 또는 다른 출구 구조는 적절한 센서를 사용할 때 바늘, 노즐 또는 다른 출구 구조의 검출율을 높이기 위해 전압의 직접 또는 간접 인가에 의해 전하를 받을 수 있다.
위에서 언급한 오프셋 감지 방법 및 다른 오프셋 교정 방법에서, 한 차원에서의 오프셋을 결정하는 데에 사용되는 동일한 센서 또는 센서들은 센서를 간단히 액추에이터로 90도 회전시킴으로써 다른 차원에서의 오프셋을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 단속기를 사용하여 바늘의 Y 오프셋을 검출하는 경우, 광 단속기를 90도 회전하여 X 오프셋을 검출하는 데에 사용할 수 있다. 다른 예에서, 기계 비전이 있는 카메라는 바늘의 위치를 검출하는 데에 사용되며 다른 차원의 위치를 검출하기 위해 90도 회전된다. 경우에 따라, 센서를 180도 회전시키는 것이 유용할 수 있다. 또 다른 방법으로, 카메라 또는 다른 광 기반 센서는 센서가 고정 상태를 유지하지만 또한 하나 초과의 차원에서의 오프셋을 결정하는 데에 일조하는 방식으로 입사 광 또는 출사 광을 지향시키는 거울과 함께 사용된다. 이전 방법과 유사한 또 다른 방법에서, 검류계가 사용되어 입사 광 또는 출사 광을 지향시켜 상이한 방향 또는 각도로부터 바늘 또는 다른 구조를 감지하는 데에 일조함으로써 하나 초과의 차원에서의 오프셋을 결정한다.
일 실시예에서, 인쇄 표면은 나노, 마이크로 또는 매크로 특징을 갖도록 미리 기계가공되거나 패턴화된다. 이어서, 전기 수력학적 인쇄를 사용하여 패턴화된 또는 기계가공된 인쇄 표면 상에 재료를 퇴적한다. 이 경우, 기계가공된 또는 패턴화된 표면은 몰드로서 작용하며 인쇄된 재료는 다양한 목적을 위해 사용될 수 있는 인쇄 표면의 형상을 취한다. 일 예에서, 인쇄 표면은 마이크로 웰의 어레이를 갖도록 기계가공된다. 인쇄 표면 상에 전기 방사를 수행하여 자체가 마이크로 웰 형상을 포함하는 나노섬유 시트를 획득한다. 그 후, 재료는 나노섬유 마이크로 웰에 인쇄될 수 있다. 재료는, 예를 들어 세포, 나노입자, 마이크로 입자, 히드로겔, 또는 액체일 수 있다. 재료는 종래의 인쇄 기술을 사용하여 퇴적될 수 있거나, 마이크로 웰 아래의 전극에 의해 퇴적이 안내될 수 있다. 이어서, 나노섬유의 다른 층을 퇴적하여 앞서 언급한 인쇄된 재료를 마이크로 웰에 포획할 수 있다. 이어서, 갠트리 상에 장착된 레이저가 마이크로 웰을 레이저 커팅할 수 있다. 레이저의 대안으로, 기계가공된 피스를 사용하여 용기를 펀칭할 수 있다. 그 결과, 예를 들어 약물 전달, 암 검출, 또는 치료 용례를 위해 나노입자 또는 세포가 될 수 있는 페이로드를 포함하는 많은 수의 나노섬유 용기가 된다. 대안적으로, 마이크로 웰을 기계가공하지 않고 대신에 하나의 시트를 전기 방사하고, 페이로드를 추가하며, 다른 시트를 전기 방사하여 2개의 시트 사이에 페이로드를 포획한 다음, 레이저 커팅 또는 펀칭 방법을 사용하여 전기 방사된 나노섬유에 캡슐화된 페이로드를 추출한다. 임의로, 가교와 같은 후처리 단계가 추출 전에 사용된다.
본 개시내용의 실시예에 추가적인 상황 정보를 제공하기 위해 다음의 도면(및 대응하는 설명)이 또한 제공된다.
도 1은 인쇄 표면 플랫폼(1), 인쇄 표면(2), C, U, Z 이동 가능한 갠트리(3), 및 프린트 헤드(4)를 수용하는 본 발명의 실시예의 개략도를 도시한다. 기계 외부에는, 고전압 소스(#5), 하나 이상의 용적식 펌프(6)가 있으며, 각 펌프는 재료 유동 튜브(#8)에 연결된 주사기(7)를 수용한다. 프린트 헤드(4)는, 본체(9), 하나 이상의 입력 연결부(10), 단일 저장조(12)로 병합되는 하나 이상의 채널(11), 전기 커넥터(13), 및 액체 또는 액체와 접촉하는 전도성 표면에 고전압을 전도하는 전도성 기판(14)으로 구성된다.
각 주사기의 유량을 조정함으로써, 각 액체의 특정 비율이 출력 오리피스 근방에서 함께 혼합될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 주사기 펌프는 각각의 액체 용액의 양의 유동을 유발한다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 주사기 펌프는 액체 용액의 음의 유동을 유발한다. 일 예에서, 하나의 주사기는 매우 높은 농도의 폴리머를 가질 수 있는 반면 다른 주사기는 매우 낮은 농도를 갖거나 용매만 포함하고 폴리머는 포함하지 않는다. 각 액체의 유량을 독립적으로 조정함으로써, 출력에서 광범위한 폴리머 농도를 생성할 수 있다. 이는 인쇄되는 섬유의 크기를 지속적으로 조정하거나, 한 형태의 압출에서 다른 형태로(예를 들어, 전기 방사에서 전기 분무로) 전환하는 데에 사용될 수 있다. 또는 다른 예로서, 3개의 유형의 세포의 비율은 바이오-엘 전기 분무 동안 상이한 세포 유형을 수용하는 주사기의 유량을 변경함으로써 변경될 수 있다. 이는 세포 유형 농도의 구배로 세포층을 인쇄하는 데에 유용할 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 프린트 헤드(#4)가 다수의 재료 입력을 가질 수 있고 다수의 입력으로부터의 출력이 재료가 빌드 표면 상에 퇴적되기 전에 프린트 헤드 내부 또는 외부에서 임의로 혼합될 수 있음을 인식할 것이다.
도 2는 입력 액체를 더 잘 혼합하기 위해 3개의 채널이 병합된 후에 혼합 채널(15)이 추가되는 프린트 헤드(4)의 내부 혼합 버전을 도시한다. 또한, 채널의 개폐를 제어할 수 있는 밸브(16)가 도시되어 있다. 임의로, 밸브는 액체 유동이 공압으로 구동되는 경우에 유동 제어 밸브로서 작용함으로써 유량을 제어할 수 있다.
도 3은 하나의 입력 채널(11)이 프린트 헤드(4) 내에서 다수의 채널 어레이(17)로 분할되는 프린트 헤드(#4)의 매니폴드 스타일 버전을 도시하고, 각각의 채널 어레이(17)는 빌드 재료를 다수의 빌드 재료가 나오는 개구로 유도한다. 이 실시예의 목적은 높은 처리량의 섬유 생성 및/또는 섬유 구성물의 보다 균일한 생성을 포함하는 이유로 단일 채널(11)로부터 다수의 나노섬유 또는 나노입자를 생성하는 것이다.
도 4는 다수의 입력(20) 및 하나의 출력을 갖는 압전 액추에이터(펌프)를 포함하는 프린트 헤드(4)의 대안 실시예의 단면도이다. 프린트 헤드는 압전 액추에이터(19)를 갖는 본체(18)를 갖는다. 프린트 헤드(4)는 또한 정밀 바늘 퇴적 팁(24)을 갖는 전기 전도성 제거 가능한 출구(23)를 갖는다. 각 입력은 체크 밸브(21)를 갖고 출력은 임의로 체크 밸브(22)를 가질 것이다. 전기 전도성 제거 가능한 출구(23)는 도시되지 않은 나선형 혼합 인서트를 포함할 수 있다.
도 5는 라이너 재료(26), 페이로드(27) 및 캡핑 재료(28)를 수용하기 위한 웰을 갖는 정밀 윤곽 표면(25)을 특징으로 하는 3D 인쇄 표면(2)의 대안 실시예의 단면도로서, 캡핑 재료는 3D 인쇄 후에 다이(29)로 다이 커팅되거나 대안적으로 레이저 또는 워터젯으로 커팅될 수 있다. 라이너 재료(26) 및 캡핑 재료(28)는 생분해성 폴리머로 전기 방사되거나 전기 분무될 수 있고 페이로드(27)는 전기 분무된 나노입자로 구성될 수 있다.
도 6 내지 도 15는 본 개시내용에 대한 또 다른 추가 상황 정보를 제공하기 위한 다른 추가 양태를 도시한다. 이들 도면에서 특정 예가 제공되지만, 본 개시내용은 이들 예로만 제한되지 않는다.
도 6은 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 다수의 압출 기술을 수용하는 바이오 인쇄 플랫폼을 도시한다. 인쇄 프로세스 전 또는 도중에 바이오 프린터의 다양한 기능 및 파라미터와 바이오 인쇄 프로세스 자체를 제어하기 위해 터치 스크린이 포함되어 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른, FDM 압출기를 사용하여 인쇄된 다공성의 이식 가능한 이어 스캐폴드를 도시한다. 이어 스캐폴드는 생분해성 및 생흡수성 폴리머로 인쇄되었으며 소이증(Microtia) 질병 치료에 용례를 갖는다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른, 3개의 공압 압출기를 사용한 삼중 동심 원형 인쇄물을 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른, 히드로겔 재료에 의한 노오즈-형상 인쇄물을 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 일 실시예에 따라 PDMS를 FDM-인쇄된 ABS 몰드로 캐스팅함으로써 형성된 가요성 귀-형상 PDMS 구성물을 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른, 가요성의 얇은 관형 PDMS 구성물을 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 금속 막대에서 빼낸 나노섬유 혈관 스캐폴드를 도시한다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른, 전기 수력학적 프린트 헤드로 인쇄된 서로 수직으로 정렬된 나노섬유를 도시한다. 이들 정렬된 섬유는 인쇄 표면이나 갠트리의 이동 없이 인쇄되었지만 대신에 여러 전극을 사용하여 실시간으로 전기장을 제어함으로써 자체 조립되었다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 혈관 직경이 혈관의 중앙을 향해 실질적으로 감소되는 혈전을 시뮬레이션하기 위해 인쇄된 혈관 모델을 도시한다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 분지 혈관 모델을 도시한다.
본 개시내용이 특정 실시예 및 일반적으로 관련된 방법을 설명하였지만, 이들 실시예 및 방법의 변경 및 순열은 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 따라서, 예시적인 실시예의 이전 설명은 본 개시내용을 정의하거나 제한하지 않는다. 비제한적인 예로서, 본 기술 분야의 숙련자는 다른 재료 분배 및 축적 수단이 양의 재료 변위, 잉크젯 변위, 압전 변위, 레이저 경화, 마이크로 밸브 변위, 자외선 경화, 및 융합 퇴적 수단을 포함하지만 이에 제한되지 않는 1차 전기 수력학적 수단과 결합될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 비제한적인 예로서, 본 개시내용의 특정 실시예는 전기장 강도의 감소(예를 들어, 빌드 표면 상에 축적된 과도한 재료)를 검출하고 전압을 비례하여 증가시킬 것이다. 다음의 청구범위에 의해 정의되는 바와 같이, 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 변화, 대체 및 변경이 또한 가능하다.

Claims (41)

  1. 물체의 디지털 표현에 의해 퇴적이 지향되는 유기 합성 및/또는 고형화가 가능한 하나 이상의 유체 매체로부터 3차원 유기 구성물 또는 생물학적 물체를 제조하기 위한 디바이스로서, 상기 장치는,
    내부에 빌드 재료의 연속 층을 수용하기 위한 평면형 빌드 판,
    평면형 빌드 판 위에 배치된 적어도 하나의 프린트 헤드의 어레이를 포함하고, 적어도 하나의 프린트 헤드는 빌드 표면 또는 빌드 재료의 이전 층 상에 재료를 퇴적하는 전기 수력학적 및 다른 바이오 인쇄 메커니즘의 조합을 사용하여 재료를 선택적으로 분배하도록 구성되어, 2차원 인터페이스에서 상기 물체의 연속적인 단면 라미나(laminae)를 형성함으로써 3차원 물체가 실질적으로 2차원 평면형 표면으로부터 추출되는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 평면형 빌드 판은 내부에 빌드 재료의 연속 층을 수용하기 위한 3차원 빌드 표면 및 3차원 빌드 표면 위에 배치된 적어도 하나의 프린트 헤드의 어레이로 대체되고,
    적어도 하나의 프린트 헤드는 빌드 재료 상에 재료를 퇴적하는 전기 수력학적 및/또는 공압 메커니즘의 조합을 사용하여 재료를 선택적으로 분배하도록 구성되어, 2차원 인터페이스에서 상기 물체의 연속적인 단면 라미나를 형성함으로써 3차원 물체가 3차원 표면으로부터 추출되는, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서 평면형 빌드 판은 층형성 프로세스 동안 빌드 재료를 지지하는 데에 일조하고 내부에 빌드 재료의 연속 층을 수용하는 점성 및/또는 전기 유변학적 유체를 포함하는 유체 충전 탱크 및 유체 충전 탱크 위에 배치된 적어도 하나의 프린트 헤드의 어레이로 대체되며,
    적어도 하나의 프린트 헤드는 빌드 재료 상에 재료를 퇴적하는 전기 수력학적 및/또는 공압 메커니즘의 조합을 사용하여 재료를 선택적으로 분배하도록 구성되어, 2차원 인터페이스에서 상기 물체의 연속적인 단면 라미나를 형성함으로써 3차원 물체가 유체 충전 탱크로부터 추출되는, 디바이스.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 3차원 물체는 비생물학적 재료로 제조되는, 디바이스.
  5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 프린트 헤드는 빌드 표면 또는 빌드 재료 위로 지향되고 제2 정밀 위치 결정 접점이 빌드 표면 아래에 배치되며, 이에 의해 정전기로 대전된 재료는 프린트 헤드로부터, 빌드 표면 아래의 X 및 Y 평면에서 이동될 수 있는 정밀 위치 결정 접점의 반대 또는 차등 전하와의 친화도로부터 정밀 위치로 지향되거나, 또는
    빌드 표면이 다수의 방향으로 이동하는 동안 정밀 위치 결정은 고정된 상태로 남아있는, 디바이스.
  6. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 유동화된 재료는 분배된 재료가 빌드 재료와 접촉하기 전에, 직전에 또는 후에 미리 정해진 상승 자극을 받을 수 있는, 개선된 디바이스.
  7. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 디바이스는 하나의 시스템 또는 디바이스로부터 다른 시스템 또는 디바이스로 빌드 재료를 전달하는 동안 무균 환경을 유지하기 위해 다른 3D 인쇄 디바이스, 생물 반응기, 후처리 디바이스 또는 인큐베이터와 같은 다른 디바이스에 인접하고 연결되는, 개선된 디바이스.
  8. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 세정 스테이션, 교정 스테이션 또는 둘 모두가 인쇄 표면에 연결되고, 인쇄 표면 및 스테이션(들) 둘 모두는 모든 3D 인쇄 압출기가 상기 스테이션(들)에 도달하게 하도록 하나 이상의 차원에서 병진될 수 있거나, 모든 3D 인쇄 압출기가 인쇄 표면에 도달하게 하도록 반대 방향으로 병진될 수 있게 하는, 개선된 디바이스.
  9. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 재료를 전기적으로 대전하는 데에 사용될 수 있는 고전압 소스는 모든 프린트 헤드에 대한 유일한 고전압 소스일 수 있거나, 대안적으로 각각 전용 프린트 헤드를 갖는 다수의 고전압 소스가 있을 수 있는, 디바이스.
  10. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 시스템은 기존의 X, Y 및 Z 축을 제외하고 빌드 재료가 퇴적되도록 하는 추가 관절 축을 가질 수 있고, 이들 추가 축은 시스템의 X, Y 및 Z 축에 대해 하나 이상의 축에서 빌드 표면을 회전시키는 시스템에 근접하거나 시스템에 부착된 추가 디바이스의 형태일 수 있는, 디바이스.
  11. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 퇴적 메커니즘은 프린트 헤드 내부의 압전 멤브레인에 의해 및/또는 외부 압전 펌프와 함께 지원되는, 디바이스.
  12. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 프린트 헤드는 일련의 체크 밸브에 의해 제어되는 하나 이상의 유체 입구를 가질 수 있으며, 그 구동은 외부 제어기에 의해 독립적으로 제어되거나 제어되지 않을 수 있는, 디바이스.
  13. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 프린트 헤드에 들어가는 유체는 상기 유체 재료를 프린트 헤드로 강제 이동시키는 양압을 가질 수 있는, 디바이스.
  14. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 유체 빌드 재료는 미세 분말 재료일 수 있는, 개선된 디바이스.
  15. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 디바이스는 인가된 고전압의 폐루프 제어를 갖고 센서는 전기장의 상대 강도를 검출하도록 인쇄 표면 아래에 또는 인쇄 표면에 근접하게 위치될 수 있는, 디바이스.
  16. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 디바이스는 인가된 고전압의 폐루프 제어를 갖고 전압은 빌드 표면에 또는 그 둘레에 연결된 하나 이상의 접지 와이어 또는 다른 와이어를 통한 전류 측정을 기반으로 자동 조정되는, 디바이스.
  17. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 추가 전극은 빌드 재료가 퇴적될 때 빌드 재료를 포커싱하는 데에 일조하도록 수동 또는 자동으로 위치로 지향될 수 있는, 디바이스.
  18. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 평면형 빌드 표면은 윤곽 물체를 만들거나 빌드 프로세스 전체에 걸쳐 전기장을 조작할 목적으로 평면형 표면으로부터 윤곽 표면으로 변경될 수 있도록 관절식으로 연결될 수 있는, 디바이스.
  19. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 시스템에는 하나 이상의 차원에서 퇴적 디바이스의 압출 오리피스의 정확한 위치의 위치 결정을 지원할 목적으로 초음파 기반 오프셋 교정이 제공되고, 또한, 오프셋 교정이 또한 본 명세서에 참조로 포함되는 광 기반 방법과 같은 추가 방법을 사용하여 수행될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 숙련자에 의해 인식되는, 디바이스.
  20. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 하나 이상의 용량성 센서가 빌드 표면에 또는 그 주변에 위치되어 프린트 헤드 위치 또는 이동될 때 압출 오리피스의 위치를 검출하고 프린트 헤드 위치의 검출을 증강시키는 데에 사용되며, 전압이 프린트 헤드에 인가되어 그 검출을 추가로 지원할 수 있는, 디바이스.
  21. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 단일 관절식 센서가 사용되어 이전 위치에 대해 상기 검출 센서를 이동 및/또는 회전시킴으로써 다수의 차원에서 프린트 헤드를 검출하고 다수의 차원에서 프린트 헤드의 위치를 측정할 수 있는, 디바이스.
  22. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 빌드 표면은 각각의 전압이 서로 독립적으로 제어될 수 있는 복수의 전극으로 구성되거나 그에 근접해 있는, 디바이스.
  23. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 인쇄 프로세스는 페이로드가 있는 나노섬유 및/또는 나노 다공성 용기를 생성함으로써 개선되고, 인쇄 표면이 먼저 마이크로 웰을 갖도록 생성되고 전기 수력학적 및/또는 다른 수단을 사용하여 나노섬유가 퇴적되는 캐리어로서 기능하고,
    나노섬유는 이전에 퇴적된 빌드 재료의 상단에 퇴적되며, 결국 3D 인쇄된 빌드 재료는 레이저 커터를 사용하여 또는 다른 기계적 제거 수단에 의해 기계가공된 캐리어로부터 분리되는, 디바이스.
  24. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 인쇄 프로세스는 전기 수력학적-생성된 섬유의 직경을 실시간으로 제어하여 개선되고, 용액의 한 입력 채널은 저농도의 용질을 포함하고 용액의 제2 입력 채널은 훨씬 더 높은 농도의 용질을 포함하며, 둘 모두는 독립적으로 제어된 유량을 가지며 둘 모두는 압출 전에 혼합되어 상대 유량을 조정함으로써 출력 오리피스에서 용질 농도의 정밀한 제어를 효과적으로 허용하는, 디바이스.
  25. 제24항에 있어서 제3 채널이 사용되어 섬유 직경이 변경되어야 할 때 용액을 신속하게 인출하는, 디바이스.
  26. 제24항 및 제25항에 있어서, 입력 채널들 사이의 차이는 용질의 분자량인, 디바이스.
  27. 제24항 및 제25항에 있어서, 입력 채널은 상이한 분자량 및 상이한 농도를 갖는, 디바이스.
  28. 제24항 및 제25항에 있어서, 입력 채널은 상이한 분자량, 농도, 또는 화학적 조성을 갖는, 디바이스.
  29. 제24항 및 제25항에 있어서, 임의의 수의 입력 채널은 임의의 원하는 비율로 결합/혼합될 수 있으며 임의의 수의 출력 채널로 출력될 수 있는, 디바이스.
  30. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 인쇄 표면은 나노 다공성 또는 미공성인, 디바이스.
  31. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 전기 수력학적 및 하나 이상의 바이오 인쇄 퇴적 시스템의 조합을 사용하여 빌드 재료를 선택적으로 분배함으로써, 구성물의 연속적인 단면 라미나를 선택적으로 분배한 다음 빌드 표면으로부터 구성물을 추출하는 것에 의해 구성되는, 3차원 유기 구성물을 제조하기 위한 것인, 디바이스.
  32. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 구성물의 전기 수력학적 인쇄는 전압 레벨이 빌드 재료의 퇴적을 안내하도록 독립적으로 제어되는 복수의 전극으로 구성되거나 그에 근접한 빌드 표면 상에 전기 수력학적 압출을 사용하여 빌드 재료를 분배하는 것으로 구성되는, 디바이스.
  33. 물체의 디지털 표현에 의해 퇴적이 지향되는 유기 합성 및/또는 고형화가 가능한 하나 이상의 유체 매체로부터 3차원 유기 구성물 또는 생물학적 물체를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    전기 수력학적 및 하나 이상의 바이오 인쇄 퇴적 시스템의 조합을 사용하여 재료를 선택적으로 분배하는 단계;
    선택적 분배로부터, 2차원 인터페이스에서 상기 물체의 연속적인 단면 라미나를 형성하는 단계; 및
    표면으로부터 3차원 물체를 추출하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 선택적으로 분배된 재료는 평면형 빌드 판 상에 배치되고,
    3차원 물체는 실질적으로 2차원 평면형 표면으로부터 추출되는, 방법.
  35. 제33항에 있어서, 선택적으로 분배된 재료는 3차원 빌드 표면으로 인쇄되고,
    3차원 물체는 3차원 표면으로부터 추출되는, 방법.
  36. 제33항에 있어서, 선택적으로 분배된 재료는 층형성 프로세스 동안 빌드 재료를 지지하는 데에 일조하는 점성 및/또는 전기 유변학적 유체를 포함하는 유체 충전 탱크로 인쇄되고,
    3차원 물체는 유체 충전 탱크로부터 추출되는, 방법.
  37. 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항에 있어서, 상기 3차원 물체는 비생물학적 재료로 제조되는, 방법.
  38. 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항에 있어서, 프린트 헤드는 빌드 표면 또는 빌드 재료 위로 지향되고 제2 정밀 위치 결정 접점이 빌드 표면 아래에 배치되며, 이에 의해 정전기로 대전된 재료는 프린트 헤드로부터, 빌드 표면 아래의 X 및 Y 평면에서 이동될 수 있는 정밀 위치 결정 접점의 반대 또는 차등 전하와의 친화도로부터 정밀 위치로 지향되거나, 또는
    빌드 표면이 다수의 방향으로 이동하는 동안 정밀 위치 결정은 고정된 상태로 남아있는, 방법.
  39. 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항에 있어서, 유동화된 재료는 분배된 재료가 빌드 재료와 접촉하기 전에, 직전에 또는 후에 미리 정해진 상승 자극을 받을 수 있는, 방법.
  40. 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항에 있어서,
    한 시스템 또는 디바이스로부터 다른 시스템 또는 디바이스로 빌드 재료를 전달하는 동안 무균 환경을 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  41. 제33항, 제34항, 제35항 또는 제36항에 있어서, 재료를 전기적으로 대전하는 데에 사용될 수 있는 고전압 소스는 모든 프린트 헤드에 대한 유일한 고전압 소스일 수 있거나, 대안적으로 각각 전용 프린트 헤드를 갖는 다수의 고전압 소스가 있을 수 있는, 방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102382806B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-08 (주)애니캐스팅 펄스 피크를 이용하여 갭 제어를 수행하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3d 프린팅 장치
KR102392201B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-28 (주)애니캐스팅 다중전극모듈을 구비하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치
KR102392199B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-28 (주)애니캐스팅 선택적 전기화학 전착을 이용한 3d 프린팅 장치의 제어방법
KR20220089587A (ko) * 2020-12-21 2022-06-28 (주)애니캐스팅 다중 스위칭 전극모듈을 구비하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치
WO2023120810A1 (ko) * 2021-12-20 2023-06-29 주식회사 페로카 마이크로니들 제조 장치 및 마이크로니들 제조 방법

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10730236B2 (en) 2017-08-02 2020-08-04 Ethicon Llc System and method for additive manufacture of medical devices
CN114599830B (zh) * 2019-10-28 2023-05-12 花王株式会社 纤维堆积体的制造方法、膜的制造方法和膜的附着方法
CN111317594B (zh) * 2020-02-28 2023-10-20 广州迈普再生医学科技股份有限公司 一种人工血管自动化生产装置
SE544534C2 (en) * 2020-05-12 2022-07-05 Cellink Bioprinting Ab Bioprinter and method for calibration of the bioprinter
US11807957B2 (en) * 2020-05-22 2023-11-07 University Of Dayton Research Institute Creating defined electrospun fiber geometries
CN112895455A (zh) * 2021-03-25 2021-06-04 赛箔(上海)智能科技有限公司 用于3d打印机的自动加料清洗装置
CN113134968B (zh) * 2021-04-22 2021-12-24 吉林大学 基于电沉积和双喷头的柔性电子元件3d打印装置及方法
IT202100013469A1 (it) * 2021-05-25 2022-11-25 Starscaspe 4D S R L Testina di stampa 3D per stampare tessuti biologici e relativo sistema di stampa 3D.
EP4316843A1 (en) 2022-08-03 2024-02-07 Sartorius Stedim Fmt Sas Method of assembling a bioreactor having a biological material depositing end that is movable with the top portion to allow bioprinting

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7625198B2 (en) 2004-08-11 2009-12-01 Cornell Research Foundation, Inc. Modular fabrication systems and methods
US7981353B2 (en) * 2005-12-12 2011-07-19 University Of Washington Method for controlled electrospinning
US9499779B2 (en) * 2012-04-20 2016-11-22 Organovo, Inc. Devices, systems, and methods for the fabrication of tissue utilizing UV cross-linking
US10119108B2 (en) * 2013-08-01 2018-11-06 Sartorius Stedim Biotech Gmbh Manufacturing within a single-use container
US20150174824A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 Karl Joseph Gifford Systems and methods for 3D printing with multiple exchangeable printheads
EP3245044B1 (en) * 2015-01-13 2021-05-05 Carbon, Inc. Three-dimensional printing with build plates having surface topologies for increasing permeability and related methods
CN106222085B (zh) * 2016-07-28 2019-03-12 西安交通大学 一种高精度的生物复合3d打印装置及打印方法
CN106012052A (zh) * 2016-08-03 2016-10-12 苏州大学附属第二医院 结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置
CN106827496A (zh) * 2016-11-30 2017-06-13 广州迈普再生医学科技有限公司 复合生物3d打印装置及其打印方法
EP3606754A1 (en) * 2017-04-06 2020-02-12 Regenhu AG Electrospinning printing device and method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102382806B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-08 (주)애니캐스팅 펄스 피크를 이용하여 갭 제어를 수행하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3d 프린팅 장치
KR102392201B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-28 (주)애니캐스팅 다중전극모듈을 구비하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치
KR102392199B1 (ko) * 2020-12-21 2022-04-28 (주)애니캐스팅 선택적 전기화학 전착을 이용한 3d 프린팅 장치의 제어방법
KR20220089587A (ko) * 2020-12-21 2022-06-28 (주)애니캐스팅 다중 스위칭 전극모듈을 구비하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치
WO2023120810A1 (ko) * 2021-12-20 2023-06-29 주식회사 페로카 마이크로니들 제조 장치 및 마이크로니들 제조 방법

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