KR20210097816A - 3차원 구조물의 첨삭 가공을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

3차원 구조물의 첨삭 가공을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

3차원 세포 구조를 포함하는 3차원 구조물의 첨삭 가공을 위한 장치 및 방법이 제공된다. 상기 장치는 외피 유체(sheath fluid)와 하이드로겔(hydrogel)을 함유한 물질을 수용하여 분배하기 위한 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하고, 이때 상기 프린트 헤드는 물질을 분배하기 위한 오리피스, 상기 물질을 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 마이크로유체 채널, 상기 프린트 헤드에서 상기 마이크로유체 채널의 하나에 대응하고 상기 마이크로유체 채널에서 유체 유동을 허용 또는 금지하도록 구성된 유체 스위치들을 포함하며, 상기 장치는 상기 오리피스로부터 분배된 물질의 제 1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스를 3차원 공간에 위치시키기 위한 위치선정 유닛; 및 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스로부터 물질을 분배하기 위한 분배수단을 또한 포함한다.

Description

3차원 구조물의 첨삭 가공을 위한 장치 및 방법{SYSTEM FOR ADDITIVE MENUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE AND METHOD FOR SAME}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2013년 6월 13일자로 출원된 미국 출원번호 제 61/834,420 호(여기에서는 전체가 참조로서 통합됨)에 대해 파리조약에 의거하여 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 디지털 파일로부터 3차원 생물학적 구조물들의 3차원(3D) 프린팅 및 발생에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3D 세포함유 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅, 첨삭가공(AM)의 형태는 디지털 파일들로부터 직접적으로 3차원 물체를 창조하기 위한 공정이다. 소프트웨어는 물체의 컴퓨터 지원설계(CAD) 모델이나 3D 스캔을 다수의 얇은 단면 층들로 잘라내도록 사용된다. 층들의 이러한 수집은 시스템이 층에 의해서 3차원 물체 층을 세우는 AM 시스템으로 보내진다. 각 층은 물체가 완전히 구성될 때까지 이전 층의 상부에 증착된다. 물체의 돌출부 및 복잡한 특징들을 지지하기 위해서 지지 물질이 사용될 수 있다. 부분들을 플라스틱, 금속, 세라믹 및/또는 생물학적 물질로 건조할 수 있는 다양한 AM 공정들이 존재한다.
첨삭가공은 생물학적 시스템에서 응용될 수 있다. 예를 들면, 최근까지, 대부분의 세포 배양 실험들은 마이크로-웰-플레이트 및 배양접시와 같은 2차원적(2D) 표면들에서 수행되었다. 그런데, 2D 배양 시스템들은 세포가 체내에 존재하는 3D 환경을 모챔버하지 않는다. 연구원들은 천연 조직에서 세포들의 3D 배열이 세포간 상호작용에 영향을 끼쳐서 결국 세포성장과 생리학에 영향을 끼치기 때문에, 3D 세포 배양이 2D 세포 배양보다 적어도 부분적으로 천연 생물학적 조직으로 거동한다는 것을 발견하였다.
세포 구조를 제조하기 위한 첨삭가공장치 및 시스템이 알려져 있다. 예를 들면, 공지된 용융 섬유 증착기술들이 생물학적 물질에 적용되어 왔다. 용융 섬유 증착에 있어서, 고점성 액체들은 비교적 좁은 오리피스로부터 분배되고 여러 수단에 의해서 급속히 고화된다. 생체적합성 플라스틱, 열 겔화 하이드로겔, UV-가교 중합체 및 고농도 알지네이트들이 3D 세포구조에 대한 뼈대로서 사용되어 왔고, 여기에서 세포들은 고화된 후에 뼈대에 적합하다. 이 기술들의 결점은 프린팅 후에 뼈대에 세포들을 추가해야 한다는 것이며, 이것은 세포 배치의 조절을 어렵게 한다. 또한, 뼈대 기판의 조성은 세포 증식과 성장을 용이하게 하기에 적합하지 않다.
세포물질의 직접적인 프린팅을 포함하는 프린팅 3D 구조를 위한 시스템이 알려져 있고, 이것들은 3D 인공지지체 내에 세포들이 증착될 수 있게 하기 때문에 적어도 부분적으로 바람직하다. 예를 들면, 잉크젯 프린팅 기술은 생물학적 물질을 인쇄하도록 사용되어 왔다. 그러나, 유체의 액적들을 기판 위로 추진하는데 개입된 전단응력은 유체에 분산된 세포들을 손상시킬 수 있다. 또한, 잉크젯 프린팅은 느린 공정이고, 이것은 생존을 위한 특별한 환경조건을 필요로 하는 생물학적 물질에 적합하게 할 수 있다.
3D 구조 내에서 세포들을 직접적으로 인쇄하기 위한 다른 장치들로는 미합중국 특허 제 8,639,484 호에 개시된 것을 포함하는데, 이것은 3D 물체를 창조하기 위해 다수의 노즐들, 한층 한층으로 세포물질들을 증착하도록 CAD 모델 및 3D 위치선정 유닛의 이용에 관한 것이다. 다중 노즐들은 다중의 다른 물질들이 3D 물체에 포함될 수 있게 한다. 미국 특허출원 공개 제 2012/0089238 호에는 복합 유기 3D 구조를 제조하기 위한 다중 카트리지 인쇄장치를 개시하고 있는데, 여기에서 상기 구조는 하나는 구조적인 지지 중합체를 함유하고 다른 것은 살아있는 세포 성분을 함유하고 구조적인 지지 중합체와 살아있는 세포 조성물을 표면상에 반복적으로 증착시키는 적어도 2개의 주사기들을 사용하여 건조된다. 미합중국 특허공개 제 2014/0012407 호에는 하나 또는 그 이상의 카트리지를 수용하여 보유하도록 각각 구성된 하나 또는 그 이상의 헤드들을 포함하는 장치가 개시되어 있다. 각각의 카트리지는 세포나 지지물질을 함유하는 바이오-잉크와 같은 유체를 포함하고, 상기 유체가 상기 카트리지로부터 분배될 수 있는 오리피스를 포함한다.
종래기술의 방법은 다중의 다른 물질들의 인쇄를 용이하게 하기 위하여 다중 노즐들 및/또는 카트리지 오리피스들을 일반적으로 필요로 한다(즉, 한 물질은 하나의 노즐이나 카트리지 오리피스에 의해서 분배된다). 다른 물질들을 분배하기 위해 다수의 노즐들을 사용하는 것은, 일련의 다른 물질들을 분배하도록 조절된 순서로 적절한 노즐이나 카트리지 오리피스를 위치시키기 위해 프린팅 시스템의 운동에서 상응하는 증가를 필요로 한다. 그러한 증가된 운동은 프린팅의 속도와 효율을 감소시킨다.
위에서 언급한 결함들중 하나 또는 그 이상을 제거하거나 완화시키는 것이 바람직하다.
제 1 양태에 있어서, 3차원 구조물의 첨삭가공을 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 외피 유체와 하이드로겔을 함유하는 물질을 수용 및 분배하기 위한 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 물질을 분배하기 위한 오리피스; 외피 유체(sheath fluid)를 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 하나 또는 그 이상의 제 1 채널들 및 하이드로겔을 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 하나 또는 그 이상의 제 2 채널들을 포함하는 마이크로유체 채널 - 상기 제 2 채널들은 상기 제 1 채널들과 제 1 교차점에서 교차하고, 상기 제 2 및 제 1 채널들은 상기 오리피스로 연장되는 분배 채널을 형성하도록 상기 제 1 교차점에서 함께 연결함 -; 및 유체 스위치들 - 각각의 상기 유체 스위치는 상기 프린트 헤드에서 상기 마이크로유체 채널의 하나에 대응하고, 작동되는 경우에 상기 프린트 헤드의 상기 마이크로유체 채널에서 유체 유동을 허용 또는 금지하도록 구성됨 -;을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는, 상기 오리피스로부터 분배된 물질의 제 1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 3차원 공간에서 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스를 위치시키기 위한 위치선정 유닛 - 상기 위치선정 유닛은 상기 프린트 헤드에 작동 가능하게 결함됨 -; 및 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스로부터 물질을 분배하기 위한 분배수단을 더 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는 상기 위치선정 유닛을 제어하고 상기 프린트 헤드로부터 상기 수용 표면 위로의 물질의 분배를 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 제 1 채널들은 적어도 2개의 채널들을 포함하며, 상기 하나 또는 그 이상의 제 1 채널들은 제 1 교차점에서 각각의 제 2 채널들을 양옆으로 분기하도록 구성된다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 외피 유체는 상기 교차점 및/또는 상기 분배 채널에서 하이드로겔과 접촉할 때 하이드로겔을 고화시키기 위한 가교제로 이루어진다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 각각의 제 2 채널은 상기 제 1 채널들 및 상기 분배 채널의 직경보다 작은 직경을 가지며, 이에 의해 상기 제 1 채널들로부터 나오는 유체는 상기 분배 채널에서 하이드로겔 주위로 동축 외피(coaxial sheath)를 형성한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 하이드로겔은 살아있는 세포들을 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는 상기 프린트 헤드로부터 분배된 과도한 외피 유체를 제거하기 위한 유체 제거 특색(형체)을 더 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 수용 표면은 과도한 외피 유체의 통과를 허용하는 크기의 공극들을 포함하는 다공성 멤브레인을 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 유체 제거 특색은 상기 수용 표면으로부터 과도한 외피 유체를 추출하기 위한 진공 또는 흡착재료를 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 흡착재료나 진공은 다공성 멤브레인 아래에 적용된다. 상기 제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 진공은 상기 수용 표면 위에 적용된다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 진공은 상기 프린트 헤드에 제공된 하나 또는 그 이상의 진공 채널들을 통해서 적용되고, 상기 하나 또는 그 이상의 진공 채널들은 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스 근처에 위치된 오리피스를 갖는다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는 상기 물질을 함유하기 위한 저장소를 더 포함하며, 상기 저장소는 상기 프린트 헤드에서 상기 마이크로유체 채널에 각각 유체 연결된다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 저장소로부터 상기 물질을 수용하기 위한 적어도 2개의 유입구를 더 포함하며, 각각의 유입구는 각각의 마이크로유체 채널과 각각의 저장소에 유체 연결된다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 분배수단은 압력 제어유닛을 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 유체 스위치들은 밸브로 이루어진다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 오리피스로부터 상기 수용 표면쪽으로 연장되도록 구성된 중공의 돌출부를 더 포함한다.
제 1 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 2개의 제 2 채널들을 포함하며, 각각의 상기 제 2 채널들은 각각의 하이드로겔을 운반하기에 적합하고, 상기 2개의 제 2 채널들은 제 2 교차점에서 교차하고, 상기 제 1 교차지점으로 연장되는 제 3 채널을 형성하도록 상기 제 2 교차점에서 함께 연결한다.
제 2 양태에 있어서, 3차원 구조물의 첨삭가공을 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 외피 유체와 하이드로겔을 함유하는 물질을 수용 및 분배하기 위한 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 물질을 분배하기 위한 오리피스; 상기 물질을 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 마이크로유체 채널; 및 유체 스위치들 - 각각의 상기 유체 스위치는 상기 프린트 헤드에서 상기 마이크로유체 채널의 하나에 대응하고, 작동되는 경우에 상기 프린트 헤드의 상기 마이크로유체 채널에서 유체 유동을 허용 또는 금지하도록 구성됨 -;을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는, 상기 오리피스로부터 분배된 물질을 수용하기 위한 수용 표면; 상기 오리피스로부터 분배된 과도한 외피 유체를 제거하기 위한 유체 제거 형체; 3차원 공간에서 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스를 위치시키기 위한 위치선정 유닛 - 상기 위치선정 유닛은 상기 프린트 헤드에 작동가능하게 결함됨 -; 및 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스로부터 물질을 분배하기 위한 분배수단;을 더 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 유체 제거 특색(형체)은 상기 수용 표면으로부터 또는 그것을 통해서 및/또는 상기 수용 표면상에 분배된 상기 하이드로겔로부터 과도한 유체를 추출하기 위한 진공을 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 수용 표면은 과도한 외피 유체의 통과를 허용하는 크기의 공극들을 갖는 다공성 멤브레인을 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 진공은 상기 다공성 멤브레인 아래에 적용된다. 상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 진공은 상기 수용 표면 위에 적용된다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 진공은 상기 프린트 헤드에 제공된 하나 또는 그 이상의 진공 채널을 통해서 적용되고, 상기 하나 또는 그 이상의 진공 채널은 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스 근처에 위치된 오리피스를 갖는다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 유체 제거 제거는 상기 수용 표면으로부터 상기 과도한 외피 유체를 추출하기 위한 흡수 물질을 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 장치는 상기 위치선정 유닛을 제어하고 상기 프린트 헤드로부터 상기 수용 표면 위로 물질의 분배를 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 더 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 오리피스로부터 상기 수용 표면쪽으로 연장되도록 구성된 중공의 돌출부를 더 포함한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 외피 유체를 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 하나 또는 그 이상의 제 1 채널들 및 하이드로겔을 수용하여 챔버향성을 부여하기 위한 하나 또는 그 이상의 제 2 채널들을 포함하며, 상기 제 2 채널들은 상기 제 1 채널들과 제 1 교차점에서 교차하고, 상기 제 2 및 제 1 채널들은 상기 오리피스로 연장되는 분배 채널을 형성하도록 상기 제 1 교차점에서 함께 연결한다.
상기 제 2 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 프린트 헤드는 2개의 제 2 채널들을 포함하며, 각각의 상기 제 2 채널들은 각각의 하이드로겔을 운반하기에 적합하고, 상기 2개의 제 2 채널들은 제 2 교차점에서 교차하고, 상기 제 1 교차지점으로 연장되는 제 3 채널을 형성하도록 상기 제 2 교차점에서 함께 연결한다.
제 3 양태에 있어서, 3차원 구조물의 프린팅 방법이 제공되는데, 상기 방법은, 3D 프린터를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 프린터는, 물질을 분배하기 위한 오리피스를 포함하는 적어도 하나의 프린트 헤드; 상기 프린트 헤드의 상기 오리피스로부터 분배된 물질의 제 1 층을 수용하기 위한 수용 표면; 및 상기 프린트 헤드를 3차원 공간에 위치 선정시키기 위한 것으로 상기 프린트 헤드에 작동 가능하게 연결된 위치선정 유닛;을 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 방법은, 분배될 물질을 제공하는 단계 - 상기 분배될 물질은 외피 유체 및 하나 또는 그 이상의 하이드로겔을 포함함 -; 인쇄될 3D 구조를 갖는 프린터를 코드화하는 단계; 상기 분배될 물질을 상기 프린트 헤드 오리피스로부터 분배시키는 단계; 분배된 물질의 제 1 층을 상기 수용 표면 위로 증착하는 단계; 증착된 물질의 제 1 층 및 어느 부수적인 층들 상에 부수적으로 분배된 물질을 증착시키는 것에 의해서 상기 증착 단계를 반복적으로 수행하고, 이에 의해서 상기 분배된 물질의 층 위에 상기 3D 구조에 따른 기하학 배열로 층이 증착되는 단계; 그리고 증착 단계들 동안에 또는 그 사이에서 하나 또는 그 이상의 시간 지점에서 상기 프린트 헤드 오리피스에 의해서 분배된 과도한 외피 유체를 제거하는 단계;를 포함한다.
제 3 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 외피 유체는 상기 하이드로겔과 접촉할 때 교차 및 고화시키기에 적당한 가교제를 포함하며, 상기 접촉은 하이드로겔 섬유를 창조한다.
제 3 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 외피 유체와 상기 하이드로겔은 동축 배열로 분배되고, 상기 외피 유체는 상기 하이드로겔을 에워싼다.
제 3 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 증착단계와 상기 제거단계는 연속적으로 수행되고, 이에 의해서 상기 분배된 물질의 층들이 증착됨에 따라서 상기 과도한 외피 유체를 연속적으로 제거한다.
제 3 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 제거 단계는 간헐적으로 및/또는 상기 증착단계와 동시에 수행되고, 이에 의해서 상기 분배된 물질의 층들이 증착됨에 따라서 상기 과도한 외피 유체를 간헐적으로 제거한다.
제 3 양태의 일 실시 예에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 하이드로겔은 그 안에 분배된 살아있는 세포들의 성장 및/또는 확산을 지지하기에 적합하다.
본 발명은 3차원 생물학적 구조물들의 3차원(3D) 프린팅을 가능하게 하고, 3D 세포함유 하이드로겔 구조물을 제조하기 위한 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 특징들은 첨부된 도면들을 참조한 하기의 상세한 설명을 통해서 보다 명백하게 밝혀질 것이다, 첨부도면에서:
도 1은 본 발명의 프린팅 장치의 일 실시 예의 사시도이다.
도 2는 소프트웨어-설계 물체 및 본 발명의 프린팅 장치의 일 실시 예를 사용하여 인쇄된 대응하는 물체의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 프린트 헤드의 일 실시 예의 사시도이다.
도 4는 밸브가 작동하는 경우에 밸브 멤브레인의 편향을 포함하여 도 3의 프린트 헤드에 있는 밸브의 단면도이다.
도 5는 도 3의 프린트 헤드의 다른 실시 예의 단면도이다.
도 6은 도 3의 프린트 헤드의 다른 실시 예의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 프린트-베드 어셈블리의 일 실시 예의 분해 사시도이다.
도 8은 도 9의 조립된 프린트-베드의 단면도이다.
도 9는 도 9의 프린트-헤드의 대안적인 실시 예의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 프린트 헤드의 일 실시 예의 사시도이다.
본 명세서에서 사용된 특정한 용어들의 정의는 아래에 제공된다. 다르게 정의되지 않는 한, 여기에서 사용된 모든 기술적 그리고 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 같은 의미를 갖는다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 해당 기술분야의 숙련된 당업자에 의해서 이해될 것이며 이 용어가 쓰인 맥락에 따라서 어느 정도 변화할 것이다. 만약 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 명확하지 않은 쓰임이 있다면, 이 용어가 쓰인 맥락을 고려하여 "약"은 열거된 정도에서 플러스 혹은 마이너스 10%를 의미할 것이다.
여기에서 사용된 바와 같이, "하이드로겔"이라는 용어는 친수성인 고분자 사슬들의 네트워크 혹은 격자와 물을 포함하는 조성물을 일컫는다. 천연 하이드로겔의 예들은 알긴산염, 아가로스, 콜라겐, 피브리노겐, 젤라틴, 키토산, 히알루론산 기초 젤 혹은 그것들의 다른 조합을 포함한다. 다양한 합성 하이드로겔이 알려져 있으며, 이것들은 여기에서 제공된 장치와 방법의 실시 예들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 여기에서 제공된 장치 및 방법의 실시 예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 하이드로겔이 출력된 3차원적 구조를 위한 구조적인 기초를 형성한다. 몇몇의 실시 예들에 있어서, 하이드로겔은 하나 또는 그 이상의 세포 유형들의 성장 및/또는 확산을 지지할 수 있는 가능성을 갖는데, 이 세포 유형은 하이드로겔 내에 분산되거나 3차원의 배열로 출력된 이후에 하이드로겔에 더해질 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 하이드로겔은 화학적 가교제에 의한 가교가 가능하다. 예를 들어, 알긴산염을 함유하는 하이드로겔은 2가 양이온이 존재할 때 가교될 수 있고, 피브리노겐을 함유한 하이드로겔은 트롬중공의이 존재할 때 가교될 수 있으며, 콜라겐 혹은 키토산을 함유한 하이드로겔은 열 혹은 기본 용액이 존재할 때 가교될 수 있다. 하이드로겔의 가교는 고체처럼 반응하는 하이드로겔의 형성이 가능한 몇몇 실시 예들에서 하이드로겔의 경도를 증가시킬 것이다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "외피 유체(sheath fluid)"는 적어도 부분적으로, 예를 들면 하이드로겔 같이 분배될 물질을 감싸기 위해 사용되는 액체를 의미한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 이 외피 유체는 하나 또는 그 이상의 수용매, 예를 들면 물 혹은 글리세롤, 및 예를 들어 2가 양이온들(Ca2+, Ba2+, Sr2+ 등)을 혼합하는 물질, 트롬중공의, 혹은 중탄산나트륨 같은 pH 변경 화학물질들을 포함하는 화학적 가교제를 포함한다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "과도 외피 유체"는 프린트 헤드 오리피스로 부터 분배된 외피 유체의 일부를 언급하고, 여기에서 제공된 장치 혹은 방법의 하나 또는 그 이상의 실시 예를 이용하여 출력된 3차원 구조를 형성하지 않는 외피 유체의 한 부분을 의미한다. 예를 들어, 과도 외피 유체는 프린트 헤드의 내부에서 그리고 프린트 헤드 오리피스를 통한 분배 채널을 통해 하이드로겔의 흐름을 원활히 하는 데에 유용할 것이다. 일단 프린트 헤드로부터 과도한 외피 유체가 수집되거나 풀(pool)이 되면, 분배된 하이드로겔의 층의 표면을 흘러 넘쳐서 수용 표면 위로 위치할 것이다.
여기에서 사용되는 바와 같이, "수용 표면"이라는 용어는 프린트 헤드 오리피스로부터 제공된 물질의 제 1 층이 침전된 표면을 의미한다. 또한, 이 수용 표면은 프린트 헤드 오리피스로부터 제공되고 프린트 헤드 오리피스로부터 제공된 하나 또는 그 이상의 층에 흘러 넘치는 과도 외피 유체를 수용한다. 실시 예에서, 수용 표면은 단단한 물질로 구성된다. 실시 예에서, 수용 표면은 다공성의 물질로 구성된다. 예를 들면, 실시 예에서 다공성 물질의 다공성은 외피 유체의 흐름을 가능하게 한다. 실시 예에서, 수용 표면은 상당히 평평하고, 그것에 의하여 제공된 물질의 첫번째 층이 침전될 수 있는 평평한 표면을 제공하게 된다. 실시 예에서, 수용 표면은 출력되는 3차원의 구조에 해당하는 지형도를 갖는데, 그것에 의하여 평평하지 않은 제 1 층을 가진 3차원의 구조 출력을 용이하게 한다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 일반적으로 3차원(3D)의 생물학적 구조들의 첨삭 가공을 위한 장치, 시스템 그리고 방법에 관한 것이다.
프린팅 시스템에 대한 일반적인 설명
일 양태에 있어서, 본 발명은 3차원 구조들(여기에서는 "프린터", "3D 프린터" 혹은 "프린팅 장치" 혹은 "장치"로도 명명된다)의 첨삭 가공을 위한 시스템을 제공한다. 상기 장치는 미세유체 프린트 헤드를 포함하는데, 이 미세유체 프린트 헤드는 물질들을 수용하고 그것이 제공되도록 하나 또는 그 이상의 미세유체 채널을 포함하는 장치들을 다루는 미세유체 액체이고, 그 물질들이 출력되도록 흐름을 규제하기 위한 미세유체 채널에 해당하는 유체 스위치들이며 물질들이 제공되도록 하는 한 개의 오리피스이다.
분배될 물질은 외피 유체와 적어도 하나의 하이드로겔을 포함한다. 바람직한 실시 예에 있어서, 외피 유체는 함께 접촉할 때 하이드로겔을 고체화하는데 적합한 화학적 가교제를 포함한다. 바람직일 실시 예에서, 외피 유체는 또한 고체화된 하이드로겔의 윤활유 역할을 한다.
미세유체 채널은 분배된 물질을 제어되는 챔버식으로 챔버향성을 부여하고 연결시키기 위한 도관으로서 기능한다. 미세유체 채널은 프린트 헤드와 함께 배치되는데, 그 결과 외피 유체를 수용하고 챔버향성을 부여하기 위한 하나 또는 그 이상의 제 1 채널과 하이드로겔을 수용하고 챔버향성을 부여하기 위한 제 2 채널은 제 1 교차 지점에서 교차하고, 프린트 헤드의 오리피스까지 확장하는 분배 채널을 형성하기 위해 합쳐진다.
바람직일 실시 예에서, 분배 채널 내의 물질들은 동축으로 챔버향성을 갖게 되고 하이드로겔은 분배 채널의 중심에 집중되며 외피 유체는 하이드로겔 유체를 둘러싸고, 그 결과 하이드로겔 주변에 외피 유체를 형성한다. 또한 외피 유체가 하이드로겔을 가교하는데 적합한 화학적 가교제를 포함하는 바람직일 실시 예에서, 고체화된 하이드로겔 섬유는 분배 채널 내에서 형성되며 프린트 헤드의 오리피스로부터 제공된다.
일 양태에 있어서, 상기 장치는 오리피스로부터 분배된 물질들의 제 1 층을 수용하기 위한 수용표면과, 3차원의 공간에서 프린트 헤드의 오리피스의 위치를 결정하기 위한 위치선정 유닛을 포함하는데, 이 위치선정 유닛은 프린트 헤드와 작동 가능하게 연결된다. 예를 들어, 프린트 헤드는 3도 운동과 함께 상업적으로 사용 가능한 자동화된 위치결정 시스템과 연결될 수 있고, 그 결과 프린트 헤드는 수용 표면을 넘어 위치가 결정되며 수용 표면을 향해 아래쪽으로 분배된 물질을 지정하도록 중심에 놓일 수 있다.
일 양태에 있어서, 상기 장치는 프린트 헤드 오리피스로 부터 물질들을 분배하기 위한 수단을 포함하며, 프린트 헤드 오리피스의 위치선정을 조절하기 위한 프로그램 가능한 제어 프로세서를 포함 및/또는 데이터 연결될 수 있다.
도 1은 여기에 제공된 3D 프린팅 시스템의 한 양태의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 장치는 프린트 헤드 오리피스(114)를 포함하며 프린트 헤드(100)로부터 분배된 수용 물질을 위한 적어도 하나의 유입구를 포함하는 미세유체 프린트 헤드(100)를 포함한다. 분배될 물질은 프린팅 물질 저장소(110) 내에 저장되어 있고 각각의 제 1 연결 튜브(122)를 통해 프린트 헤드로 전달되는데, 이 튜브들은 프린트 헤드와 프린팅 물질 저장소 사이에서 유체의 소통을 제공한다. 설명된 실시 예에 있어서, 프린트 헤드 오리피스로부터 분배되는 물질을 분배되도록 하는 수단은 압력제어유닛(112)인데, 이것은 각각의 제 2 연결 튜브(120)에 의해 유체와 관련하여 프린팅 물질 저장소와 짝지어진 것이다. 압력제어유닛은 분배 되어야 하는 물질이 분배되도록 하는 힘을 제공하는 수단이다. 압력제어유닛은 각각의 제 2 연결 튜브(120)를 통해 프린팅 물질 저장소에게 기체 압력을 제공한다. 이 압력은 각각의 제 1 연결 튜브(122)를 통해 저장소로부터 프린트 헤드로 들어가는 프린팅 물질 저장소 가압 유체에 적용된다. 분배될 물질을 분배시키기 위한 대안적인 수단이 설명된 실시 예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기적으로 제어되는 일련의 주입기 펌프들이 프린트 헤드 오리피스로부터 물질들이 분배되도록 하는 힘을 제공하는데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 미세유체 프린트 헤드(100)는 3D 자동화 스테이지와 연결되는데, 이것은 프린트 헤드(100)와 프린트 헤드 오리피스(114)를 프린트 베드(108) 위 3차원 공간에 위치시키기 위한 3개의 암(102,103 그리고 104)을 포함하며, 이때 상기 프린트 베드는 출력된 물질을 수용하기 위한 표면(109)을 포함한다. 일 실시 예에서, 3D 자동화 스테이지(즉, 위치선정 유닛)는 3D 자동화 단계의 z-축까지 확장함으로써 프린트 헤드 오리피스가 아래쪽으로 향하게 하는 수직 암(104)을 위치시키도록 제어될 수 있다. 자동화 단계의 x-축까지 확장하는 제 1 수평 암(102)은 고정식 베이스 플랫폼(116)을 위해 확보된다. 자동화 단계의 y-축까지 확장하는 제 2 수평 암(103)은 제 1 수평 암(102)의 상층 표면에 이동 가능하게 연결되고, 그 결과 제 1 및 제 2 수평 암(102, 103)의 세로 챔버향은 서로 직각을 이룬다. 이는 암들에 관련해서 위에서 사용된 "수평의" 그리고 "수직의" 라는 용어들은 프린트 헤드가 움직여지고 필수적으로 암들 자체의 물리적인 배향을 제한하지는 않는 챔버식을 묘사하기 위한 것으로 이해할 수 있을 것이다.
도 1에 나타낸 실시 예에서, 프린트 베드(108)는 플랫폼(118)의 상부에 위치하는데, 이 플랫폼은 제 2 수평 암의 상층 표면(103)에 결합된다. 일 실시 예에서, 이 3D 자동화 단계 암들(102,103,104)은 상응하는 모터들(105,106,107)에 의해 각각 구동되며, 컴퓨터(도시되지 않음)와 같이 프로그램 작동이 가능한 제어 프로세서에 의해 제어된다. 언급된 실시 예에서, 이 프린트 헤드(100)과 프린트 베드(108)는 일괄적으로 데카르트 좌표계의 3개의 주요 축들을 따라 총괄적으로 움직임이 가능하며 이 단계의 움직임은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 한정된다.
본 발명이 단지 설명한 위치선정장치에만 제한되지 않을 것이며 다른 위치선정장치들이 해당 기술분야에서 알려져 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1에 나타낸 실시 예에서, 프린트 헤드 오리피스(114)로부터 물질이 분배됨에 따라, 위치선정 유닛은 소프트웨어에 의해 제어되는 패턴으로 이동되고 이에 따라 수용 표면(109) 위의 분배 물질의 제 1 층을 생성한다. 분배 물질의 추가적인 층들은 서로의 상부에 쌓이고 그 결과 물질의 분배된 층의 최종적인 3D 기하학적 구조는 일반적으로 소프트웨어에 의해 제공되는 3D 기하 구조 디자인의 복제본이 된다. 이 3D 디자인은 전형적인 3D CAD(컴퓨터에 의한 설계) 소프트웨어를 사용하여 만들어지거나 이 기술 분야에서 알려진 디지털 이미지를 통해 생성될 것이다. 또한, 만약 기하학에서 발생된 이 소프트웨어가 사용되는 특정 물질들의 정보를 포함한다면, 발명의 한 실시 예에 따라, 다른 기하학적 위치에 특정한 물질 유형을 배정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 2는 여기에서 제공된 장치의 일 실시 예를 사용하여 인쇄된 3개의 3D 구조: 정육면체(128), 중공의 실린더(129) 그리고 동축의 중공의 실린더(130)를 나타낸다. 소프트웨어는 정육면체, 중공의 실린더 그리고 동축의 중공의 실린더(125,126,127, 각각)를 생산하기 위해 사용되었으며, 각각의 디자인은 2개의 다른 물질 종류(염색된 알긴산염)을 포함하는데, 이것은 프린팅된 정육면체와 중공의 실린더를 생산하기 위해 사용된 물질들에 시각적 명확성을 제공하기 위해 다른 색으로 염색된 것이다.
여기에서 언급된 다른 소프트웨어, 어플리케이션 혹은 모듈은 그러한 컴퓨터 판독가능 매체에 의해 저장되거나 아니면 운영되는 컴퓨터 판독가능/실행가능 명령어를 사용하여 실행될 것이다.
프린트 헤드
도 3은 제공된 장치에서 사용하기 위한 미세유체 프린트 헤드의 일 실시 예의 개략적인 사시도이다.
도 3을 참조하면, 도시된 실시 예는 다양한 유체들을 운반하기 위한 미세유체 채널들을 포함하는 미세유체 프린트 헤드를 나타낸다. 도시된 실시 예에서, 미세유체 채널들은 원통형의 모양을 갖는다. 그러나, 원통형 외의 채널 형태는 여기에서 제공된 프린트 헤드 내에서 역시 사용될 수 있다. 채널(200)은 가교제를 위한 도관이고, 채널(202)은 물을 위한 도관이다. 도시된 실시 예에서, 가교제와 물은 각각 혹은 함께 "외피 유체"로서의 역할을 한다. 채널(204)은 제 1 하이드로겔 구성 물질("하이드로겔 A"로 언급됨)을 위한 도관이고, 채널(206)은 제 2 하이드로겔 구성 물질("하이드로겔 B"로 언급됨)을 위한 도관이다. 설명된 실시 예에서, 하나 또는 그 이상의 살아있는 세포 종류들은 하이드로겔 A 그리고/혹은 B와 양립 가능하고 선택적으로 분사된다. 도시된 실시 예에서, 각각의 미세유체 채널은 연결 튜브(122)에 포함된 유체가 프린트 헤드(100)의 각각의 채널 안으로 통과할 수 있도록 하는 유체 주입구(208a, 208b, 208c, 208d)를 갖는다. 유체 주입구(208a, 208b, 208c, 208d)들의 하류는 각각의 채널에 상응하는 밸브들(210, 212, 214, 216)이다. 도시된 실시 예에서, 밸브는 채널을 통해 유체의 흐름을 허가하거나 금지하도록 활성화될 수 있는 "유체 스위치"의 역할을 하는데, 각 밸브는 밸브의 활성화와 비활성화를 가능하게 하는 대응 주입구(218, 218a, 218b, 218c, 218d)를 갖는다. 일 실시 예에서, 이 밸브들(210, 212, 214, 216)은 전기적으로 활성화 될 수 있다. 다른 실시 예에서는, 이 밸브들(210, 212, 214, 216)은, 예를 들면 원통 코일 피스톤을 경유한 압력의 변화를 통해서 활성화될 수 있다. 다른 밸브들의 전기적 혹은 압력의 활성화는 분배 물질의 급격한 변화를 가능하게 하고, 이로써 분배 물질이 다른 물질들의 제어된 배열로 구성되도록 할 수 있다.
계속 도 3을 참조하면, 도시된 실시 예에서, 이 가교제 채널들(200)과 수분 채널들(202)은 "y-형상" 구성에서와 같은 교차 지점들(203)에서 여기에서 언급된 "외피 유체 채널"(204) 즉 가교제 채널들과 수분 채널들의 하류(200, 202)를 형성하기 위해 서로 합쳐지며 교차한다. 하이드로겔 A와 하이드로겔 B 채널들(204, 206)은 "y-형상" 구성에서와 같은 교차 지점(228)에서 여기에서 언급된 "집중 채널"(226) 즉 두 하이드로겔 채널의 하류를 형성하기 위해 서로 합쳐지며 교차한다. 외피 유체 채널(224) 그리고 집중 채널(226)은 세 갈래의 배치 내의 교차 지점에서 교차하는데, 도시된 한 실시 예에 의하면 이 배치 안에서 집중 채널(226)의 측면을 외피 유체 채널(224)이 둘러싸는데 여기에서 분배 채널(220)로 언급된 채널을 형성하기 위해 합쳐지며 교차하는 것이다. 이 분배 채널(220)은 분배 오리피스(222)에서 끝난다. 도 1에서 도시된 바람직일 실시 예에서, 분배 채널은 분배 채널(114)에서 끝나는 프린트 헤드(100)으로부터 돌출된다.
계속해서 도 3을 참조하면, 도시된 실시 예에서, 이 외피 유체 채널들(224)과 분배 채널(220)은 집중 채널(226)에 비해 더 큰 직경을 갖는다. 수압이 외피 유체 채널(224)과 집중 채널(226)에 적용되었을 때, 집중 채널(226) 내의 액체는 측면으로 압축되고 집중 채널(226)의 중심축을 따른 좁은 흐름에 "집중"된다. 교차 지점(228)에서의 집중 채널(226)과의 교차 상에서, 외피 유체 채널들(224)의 더 큰 직경으로부터의 유체는 집중 채널(226)으로부터 분배된 하이드로겔의 더 좁은 집중 흐름을 둘러싸고 뒤덮는다.
바람직한 실시 예에서, 외피 유체 채널들(224)의 액체는 화학적 가교제를 포함하고 집중 채널(226)의 액체는 하나 또는 그 이상의 화학적 가교가 가능한 하나 또는 그 이상의 살아있는 세포 종류를 포함하는 하이드로겔을 포함한다. 이 하나 또는 그 이상의 화학적 가교가 가능한 하이드로겔들이 집중 채널(226)내의 좁은 흐름에 집중되고 분배 채널 내의 가교제에 의해 뒤덮어질 때, 최소한 하나 또는 그 이상의 화학적 가교가 가능한 하이드로겔들의 외부 표면은 분배 채널(220)내에서 고체화 되고 이로써 가교되거나 혹은 "고체의" 하이드로겔 섬유를 생성한다. 이 하이드로겔 섬유는 3D 구조를 층층이 만들면서, 분배 오리피스(222)로부터 수용 표면을 향해 제어된 챔버식으로 분배된다.
특히 바람직한 일 실시 예에서, 이 하이드로겔 섬유를 둘러싸고 있는 외피 유체는 분배 채널(220)을 통한 하이드로겔 섬유가 프린트 헤드 오리피스(222)로 부터 분배될 때까지 하이드로겔 섬유 통로를 원활히 하도록 또한 작용할 수도 있다.
일 실시 예에서, 이 외피 유체는 화학적 가교제, 수분 혹은 이것들의 혼합물을 포함한다. 외피 유체가 화학적 가교제를 결핍하고 있는 실시 예에서 하이드로겔은 고체화되지 않을 것이며 액체로 분배될 것이다. 외피 유체의 구성 물질을 조정하고 하이드로겔의 고체화를 시작/혹은 중단하기 위해서, 이 가교제 채널 밸브(210)와 수분 채널 밸브(212)는 활성화될 것이다. 고체 하이드로겔보다 액체를 분배하는 것, 혹은 외피 유체를 홀로 분배하는 것이 다양한 3차원 물체들의 어떤 양태들을 구성하기 위해 바람직할 수 있다는 사실이 고려된다.
실시 예에서, 프린트 헤드(100)는 단 하나의 하이드로겔 물질을 수용하고 분배하기 위해 배열될 것이다. 일 실시 예에서, 프린트 헤드는 두 개 혹은 그 이상의 하이드로겔 물질들을 수용하고 분배하기 위해 배열될 것이다. 예를 들어, 프린트 헤드(100)가 예를 들자면 각각 다른 세포 종류를 포함하는 두 개의 하이드로겔 물질을 수용하기 위해 배열되는 실시 예에서, 문서 중에 제공된 시스템은 제 1 그리고 제 2 세포 종류가 층들 가운데서 혹은 혼자서, 혹은 서로의 혼합 안에서 축적되는 불균일한 세포적인 구조를 제공하기 위해 프로그래밍될 수 있다. 두 물질 사이의 경계는 예를 들면 소프트웨어에 의해 제어되고, 프로그래밍 가능한 제어 프로세서는 유체가 하나 또는 그 이상의 미세유체 채널 내에서 흐름을 바꾸도록 지시하는데 사용되는데 그 결과 프린트 헤드 오리피스로부터 분배된 물질의 내용물을 바꾼다. 여기에서 제공된 프린트 헤드를 통해 분배되고 수용되는 하이드로겔 물질들의 수는 사용자가 실용적이라 여기는 프린트 헤드의 크기에 의해서만 제한된다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에서, 유체의 스위치는 미세유체 채널(308) 내에서 형성된 그릇 모양의 물체 위에 배치된 세포막을 포함하는 밸브이다. 공기압(도 4의 화살표로 나타냄)의 밸브 멤브레인(332)의 드러난 표면에 적용함으로써, 밸브 멤브레인(332)은 그릇 모양의 형체(318)로 챔버향이 바뀌게 되고 그 결과 미세유체 채널(308)을 통한 유체의 통로를 차단하게 된다. 하나의 바람직일 실시 예에서, 밸브 멤브레인(332)의 두께는 약 150㎛이다. 밸브 멤브레인의 두께가 증가되는 일 실시 예에서, 숙련된 당업자는 적용된 활성화 공기압 밸브가 이에 따라서 증가할 것이 틀림없다는 사실을 이해할 것이다. 유사하게, 탄성이 덜한 물질로 형성된 밸브 멤브레인은 더 높은 활성 압력을 요구할 것이다. 숙련된 당업자는 밸브 멤브레인의 특정 물질에 어울리는 활성 압력을 조정하는 법을 이해할 것이다.
일 실시 예에서, 프린트 헤드는 프린트 헤드 오리피스로부터 분배되는 물질들을 규제하기 위한 대체 유체 스위치를 포함한다. 예를 들어, 밸브를 사용하는 것이 아닌, 각 채널에 적용되는 압력을 맞물리게 하거나 분리되게 하는 메카니즘은 미세유체 채널들 내에서 물질의 흐름을 규제하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 프린트 헤드는 또한 프린트 헤드로부터의 물질들을 분배하기 위한 오리피스를 포함하는 연장 팁을 포함한다. 이러한 연장 팁은 한정된 영역, 예를 들면 멀티-웰-플레이트(multi-well plate)의 웰(예를 들면, 표준 마이크로라이트 플레이트, 마이크로웰-플레이트 혹은 6, 24, 96 등의 웰을 갖는 마이크로 플레이트) 혹은 페트리 접시 같은 곳에서 물질들의 정밀 분배를 가능하게 하고 그것의 퇴적을 가능하게 한다. 도 5에 도시된 실시 예에 따르면, 분배 오리피스(222)에 가장 근접한 분배 채널(220)의 부분(500)은 분배 채널(220)의 상류에 비해 더 큰 직경을 갖는다. 연장 팁(502)은 튜브(예를 들면, 플라스틱, 유리 혹은 금속으로 제조됨)를 포함하는데, 이 튜브는 분배 채널의 큰 직경 부분(500)에 맞아 들어가도록 배정된 외면과 분배 채널(220)에 따라 조정되도록 배열된 내부 표면(튜브의 중공의 공간을 한정함)을 갖는다. 연장 팁(502)는 분배 채널의 큰 직경 부분(500)으로 인써트될 수 있으며, 그 결과, 오리피스로(503)부터 분배된 연장 팁(502) 내부의 물질이 한정된 영역, 예를 들면 웰-플레이트 인써트물(504) 혹은 페트리 접시(도시되지 않음) 안에서의 퇴적을 가능하게 하는 분배 채널(220)의 길이가 연장된다.
도 1에 도시된 실시 예에 따르면, 연장 팁(130)은 프린트 헤드(100)로부터 연장된 돌출부이며 이 연장 팁(130)은 프린트 헤드 오리피스(114)에서 끝난다. 이 실시 예에서, 연장 팁(130)은 프린트 헤드와 일체로 형성된다.
일 실시 예에서, 둘 또는 그 이상의 하이드로겔 물질들은 여기에서 제공된 시스템으로부터 분배된 하이드로겔 섬유 내에서 동축으로 정렬될 수 잇다. 도 6에 따르면, 도시된 실시 예에서, 프린트 헤드(100)는 하이드로겔 핵심 물질과 하이드로겔 쉘 물질을 포함하는 하이드로겔을 갖는 동축의 하이드로겔 섬유를 생산하기 위해 정렬된 미세유체 채널들로 구성된다. 이 도시된 실시 예에서, 채널들(508)로 운반된 쉘 물질은 알긴산염 같은 하이드로겔을 급속으로 겔로 만드는 것이며 채널들(508)로 운반된 핵심 물질은 사용자(예를 들면, 콜라겐 혹은 피브리노겐)에 의해 선택된 다른 하이드로겔이다. 채널들(508) 그리고 채널(506)은 하이드로겔 집중 교차 지점(510), 예를 들면 "y-형상" 배열(도 3에 도시된 교차(528)와 유사함)에서 교차하는데, 채널 (506)과 (508)의 하류 채널인 집중 채널(226)을 형성하기 위해 합쳐지며 교차한다. 하이드로겔 집중 교차(510)에서, 쉘 물질은 핵심 물질을 동축으로 집중시키고 그 결과 쉘 물질은 집중 물질 주변에 외피 유체를 형성한다. 바람직한 실시 예에서, 채널들(508)과 (226)은 핵심 그리고 쉘 물질들의 동축 집중을 가능하게 하기 위한 채널(506)에 비해 큰 직경을 갖는다. 바람직한 실시 예에서, 쉘 물질의 목적은 핵심 물질에 물리 구조적인 지원을 함으로써 3D 기하학 내에서 형성되도록 하는 것이다. 핵심부는 물질이 축적된 이후에 고체화 될 것이며, 고체화의 정밀한 방법은 다른 핵심 물질들에 있어 개별적이다. 예를 들어, 핵심부는 매우 느리게 고체화되는 물질을 포함할 것이다. 다른 실시 예에서, 핵심과 쉘 물질들은 동일한 물질들을 포함한다. 그러나 다른 실시 예에서, 쉘 물질은 급속도로 고체화되는 하이드로겔을 포함하며 핵심 물질은 겔로 되지 않고 그 결과 중공 섬유의 발생을 가능하게 하는 물질을 포함한다.
일 실시 예에서, 도 6에 도시된 프린트 헤드(100)는 더하여 추가적인 핵심 물질 채널들을 포함할 수 있으며, 각각은 예를 들면 밸브 같은 그 내부의 물질의 흐름을 규제하기 위해서 상응하는 유체 스위치를 갖는다. 이 유체 스위치는 분배되는 섬유 내부의 핵심 물질의 구성의 빠르고 즉각적인 조정을 가능하게 하는데, 예를 들면 프로그래밍 가능한 제어 프로세서에 의한 명령들이다.
일 실시 예에서, 몇 개의 프린트 헤드들은, 예를 들면 평행으로, 다중 구조의 동일한 출력을 가능하게 하기 위해 정렬될 수 있다. 이는 처리량 산출을 증가시킬 것이다.
몇몇 실시 예에서 프린트 헤드는 일회용이다. 일회용 프린트 헤드의 사용은 다른 출력 업무에서 사용된 물질들의 오염 가능성을 감소시킬 수 있다.
프린트 헤드는 예를 들면, 미세유체 주형 기술(예를 들어, 주조, 각인 혹은 주입식 성형)로 알려진 것을 이용하여, 그리고 하나 또는 그 이상의 성형 가능한 중합체, 예를 들면 탄성중합체(PDMS)를 이용하여 제작될 수 있다. 이와는 달리, 상업적으로 사용 가능한 3D 프린팅 기술도 프린트 헤드를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
유체 제거 특징
한 양태에 있어서, 발명은 오리피스로부터 그리고 선택적으로 분배된 하이드로겔의 표면으로부터 분배되는 물질의 제 1 층이 축적되는 수용 표면으로부터의 과도 외피 유체를 제거하기 위한 장치를 포함하는 3차원의 구조를 추가적으로 제작하기 위한 시스템을 제공한다. 프린팅하는 동안, 과도 외피 유체가 수용 표면 상에서 혹은 분배된 하이드로겔 상에서 수집 혹은 "모으는(pool)" 것이 가능할 것이다. 이러한 모으기(pooling)는 프린트 헤드 오리피스로부터 분배되는 하이드로겔이 수용 표면 혹은 분배된 하이드로겔의 하나 또는 그 이상의 층들에 축적되는 것을 챔버해할 수 있다. 예를 들어, 모아진 외피 유체는 출력되고 있는 3D 구조 내에 의도된 위치로부터 분배된 하이드로겔 섬유가 멀어지는 것을 야기할 수 있다. 따라서, 이 시스템의 실시 예들에 있어서 수용 표면 그리고 선택적으로는 분배된 하이드로겔의 표면으로부터 유체 제거 기능을 통해 과도 외피 유체를 제거하는 것은 3차원의 구조를 추가적으로 제작하는 것을 촉진할 수 있다.
과도 외피 유체는 수용 표면 혹은 분배된 하이드로겔의 하나 또는 그 이상의 층들의 표면으로부터 이러한 층들에서 유체를 추출함으로써, 이러한 표면들에서 혹은 수용 표면이 다공성이고, 과도 외피 유체가 다공성의 표면을 통해 추출되는 실시 예에서의 증발을 허가 혹은 가능하게 함으로써 제거될 수 있다.
바람직한 일 실시 예에서, 수용 표면은 다공성의 물질을 포함하는데, 이 구멍들은 그곳이 외피 유체의 통로가 되는 것이 가능하도록 크기가 맞추어져 있으며 그 위에 분배된 하이드로겔의 하나 또는 그 이상의 층들을 지지하도록 크기가 맞추어져 있다.
도 7 및 8에 따르면, 도시된 실시 예 내에서, 프린트 베드(108)는 다공성 멤브레인(400)을 포함하는데, 이 멤브레인은 분배된 물질(예: 수용 표면)의 제 1 층을 수용하는 표면으로서 기능한다. 이 다공성 멤브레인(400)은 박스 조각(408)과 덮개 조각(402) 사이의 프린트 베드(108) 내의 공간에 존재한다. 이 박스 조각(408)은 용기인데, 액체를 수용하고 담고 있기 위해 적합한 모양(예: 사각형, 원형)일 수 있다. 박스 조각(408) 내부의 공간은 챔버(404)로 일컬어진다. 박스 조각(408)은 그 조각(408)의 상층 표면(409)의 외곽을 확장시키는 오목한 입구(412)를 포함하는 상층 표면(409)을 갖는다. 이 상층 표면(409)은 하나 또는 그 이상의 벽들(410)에 의해 정의되는 구멍을 포함하는데, 이 구멍은 오목한 입구(412)에 의해 둘러싸여 있고 박스 조각 내부(408)로 확장하고 있다.
도 7과 8에 도시된 실시 예들을 계속 참조하면, 덮개 조각(402)은 그것을 통하여 확장하는 구멍 그리고 박스 조각(408)의 오목한 입구(412)의 주위에 맞추도록 배열된 측벽들(418)을 갖고 있고, 이에 따라 박스 조각(408)의 상층 표면(409)에 덮개 조각(402)을 위치시키는 것을 가능하게 하는 상층 표면(403)을 포함한다. 덮개 조각(402)이 박스 조각(408) 위에 놓일 때, 박스 그리고 덮개 조각 내부의 구멍들(416)은 정렬한다. 작업 과정에서, 다공성 멤브레인(400)은 박스 조각(408)의 상층 표면(409)에 위치하고 그 결과 멤브레인은 박스 조각(408)의 상층 표면(409)의 구멍을 넘어 확장하고, 이때 덮개 조각(402)은 박스 조각(408)의 맨 위에 위치하게 되고 하향의 압력이 가해진다. 덮개 조각(402)의 이러한 하향 압력은 박스 조각(408)의 상층 표면(409) 내의 구멍에까지 다공성 멤브레인(400)을 늘리고, 그 결과 박스 조각(408)과 덮개 조각(402) 사이의 다공성 멤브레인(400)을 유지한다. 바람직일 실시 예에서, 이 덮개 조각(402)과 박스 조각(408)은 안정적으로 서로 맞물리고 그 결과 여기에서 제공된 시스템의 작업 과정 동안 안전하게 남아 있을 연결을 제공한다.
도 7 및 8에 도시된 실시 예를 계속 참조하면, 박스 조각(408)은 챔버(404)로부터 유체를 그리고 챔버(404)의 출구 도관(406)과의 유체 교류에서의 진공 소오스(도시되지 않음)을 멀리하기 위해 고체 베이스(414) 그리고 최소한 하나의 출구 도관(406)을 포함한다. 다공성 멤브레인(400)은 외피 유체의 통로를 가능하게 하도록 크기가 맞추어진 구멍들을 포함한다. 출구 도관(406)과 연결된 진공 소오스(도시되지 않음)는 다공성 멤브레인(400)의 상부에 그것의 분배된 배열 내에 하이드로겔 섬유를 남겨둔 채, 다공성 멤브레인(400)에 수집된 과도 외피 유체를 다공성 멤브레인(400)을 통해 챔버(404) 내부로 그리고 챔버(404)에서부터 도관(406)을 통하도록 끌어낼 것이다.
바람직한 일 실시 예에서, 수용 표면에서 그리고 선택적으로 분배된 하이드로겔의 표면으로부터 과도 외피 유체를 제거하기 위한 기능은 다중벽 플레이트 혹은 페트리 접시 내에 물질들을 분배하기 위해 정렬된 시스템 안에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 실시 예에 따르면, 상업적으로 이용 가능한 웰-플레이트 인써트(504)는 박스 조각(408)의 맨 위에 위치한다. 어떤 웰-플레이트 인써트(504)는 다공성 멤브레인 물질(512)로 만들어진 베이스의 바구니 모양을 갖는다. 도시된 실시 예에서, 가스켓(514)은 두 조각들(504,408) 사이의 봉인을 강화하기 위해 웰-플레이트 인써트(512)와 박스 조각(408) 사이에 위치한다. 그러한 실시 예에서, 웰-플레이트 인써트(504)의 다공성 멤브레인(512)은 "수용 표면"으로서 기능할 것이며 다른 과도 외피 유체는 위에서 도시된 것처럼 출구 도관(406)과 연결된 진공을 이용하여 혹은 아래에서 설명되는 다른 유체 제거 기능들 중 하나를 이용하여 제거될 수 있다.
일 실시 예에서(도시되지 않음), 프린트 베드 상의 이 수용 표면은 수용 표면으로부터의 과도 외피 유체의 흡수를 가능하게 하는 흡수성의 물질을 포함 또는 그 물질에 근접하게 위치한다. 예를 들어, 다공성 멤브레인 물질(예를 들어, 도 9에 도시된 것과 같은)로 만들어진 베이스를 가진 웰-플레이트 인써트 혹은 다른 다공성 멤브레인 기질은 예를 들면 스폰지 같은 흡수성의 물질 위에 혹은 근접하게 위치될 수 있다. 이 흡수성의 물질은 과도 외피 유체 수용 표면으로부터 이동하기 위해 행동할 것이다. 흡수력 있는 물질이 다공성 수용 표면의 아래에 축적되는 실시 예들에서, 수용 표면 상의 과도 외피 유체는 다공성 수용 표면을 통해 끌어내어져 흡수성의 물질로 이동될 것이며 그 결과 수용 표면상의 과도 외피 유체가 모이는 것을 방지한다. 흡수력 있는 물질이 즉각적으로 수용 표면 부분의 옆 혹은 위(예: 분배 물질의 축적을 방해하지 않기 위한 수용 표면의 주변부)에 축적되는 실시 예에서 과도 외피 유체는 수용 표면에서 끌어내어져 흡수력 있는 물질로 이동될 것이다.
일 실시 예에서(도시되지 않음), 위에 도시된 프린트 베드 중 하나를 사용하는 것보다, 하나 또는 그 이승의 튜브들이 수용 표면 근처 그리고 프린트 헤드 오리피스 근처에서 제공될 것이다. 하나 또는 그 이상의 튜브들은 진공 소오스(도시되지 않음)에 유체 연결되는데, 이는 수용 표면으로부터 그리고 선택적으로 분배된 하이드로겔의 표면으로부터 과도 외피 유체를 제거하기 위한 흡입을 제공할 수 있는 것이다. 이러한 실시 예에서, 고체 혹은 다공성의 수용 표면 역시 사용될 것이다.
도 10에 도시된 일 실시 예에서, 프린트 헤드는 하나 또는 그 이상의 진공 채널들(700a, 700b)을 더 포함하도록 정렬되는데, 하나 또는 그 이상의 진공 채널들은 프린트 헤드 오리피스(222) 근처에 위치되는 오리피스(702a, 702b)를 각각 갖는다. 하나 또는 그 이상의 진공 채널(700a, 700b) 각각은 하나 또는 그 이상의 진공(도시되지 않음)들과의 유체 연결을 가능하게 하도록 배치된 주입구(704a, 704b)를 각각 갖는다. 프린트 헤드(100)가 진공과 유체 연결되는 경우, 하나 또는 그 이상의 진공 채널들(702a,702b)은 물질들이 분배되거나 또는 프린트 헤드 오리피스(222)로부터 분배되는 수용 표면의 영역으로 및/또는 분배된 하이드로겔의 표면 영역의 일부로 부압을 향하게 하고, 이에 의해서 수용 표면으로부터 및 임의적으로는 분배된 하이드로겔의 표면으로부터 과도한 외피 유체가 추출되고, 결국에는 수용 표면 및/또는 분배된 하이드로겔에서 외피 유체의 모음(pooling)을 제거하게 된다.
일 실시 예에서, 하나 또는 그 이상의 진공 튜브들은 하나 또는 그 이상의 프린트 헤드로부터 돌출된 확장부 내에 적어도 부분적으로 제공되는데, 이 확장부는 프린트 헤드 오리피스 그리고 분배 채널(예를 들어 도 10 참조)을 포함한 확장부와 같은 일반적인 방향으로 돌출되어있다. 그러한 실시 예에서, 진공 튜브들을 포함하고 있는 하나 또는 그 이상의 확장부들은 분배되고 축적된 하이드로겔을 방해하지 않기 위해서 프린트 헤드 오리피스와 분배 채널을 포함하고 있는 확장부보다 더 멀리 확장하지 못한다.
몇몇 실시 예에서는, 유체 제거 특징은 외피 유체 구성 그 자체일 것으로 고려된다. 예를 들어, 외피 유체 구성은 그것이 프린트 헤드 오리피스로부터 분배된 이후 증발하도록 설계되고, 그 결과 수용 표면 혹은 분배된 하이드로겔 표면 상의 과도 외피 유체의 모음을 제거하게 된다. 예를 들어, 외피 유체는 분배되기 이전에 액체 상태로 남아 있는 것과 반대로 분배된 이후에는 증발을 야기하는 끓는 점을 가질 것이다.
3차원의 구조물의 프린팅 방법
일 양태에 있어서, 3차원(3D) 구조물의 프린팅 방법이 제공된다.
상기 방법은 출력될 3D 구조의 설계를 제공하는 단계를 먼저 포함한다. 이 설계는 상업적으로 이용가능한 CAD 소프트웨어를 사용하여 만들어진 것이다. 일 실시 예에서, 이 설계는 특정한 물질들(예: 다중 물질들을 포함하는 불균일 구조들)이 설계 내의 특정한 기하학적 위치들에 배열되는 것에 관련한 정보를 포함한다.
상기 방법은 3D 프린터의 사용을 포함하는데, 상기 프린터는, 프린트 헤드, 프린트 헤드로부터 분배된 물질을 수용하기 위한 수용 표면; 그리고 수용 표면에 작동 가능하게 연결된 위치선정 유닛을 포함하며, 상기 위치선정 유닛은 수용 표면 상부 3차원 공간의 장소에 프린트 헤드를 위치시키기 위한 것이다. 예를 들어, 여기에서 제공된 출력 시스템의 다양한 실시 예들은 3D 구조물의 프린팅 방법에서 사용될 것이다.
상기 방법은 프린트 헤드로부터 분배되는, 외피 유체와 하이드로겔 유체 같은 적어도 두 물질을 제공하는 것을 포함한다. 바람직한 실시 예들에서, 하나 또는 그 이상의 세포 종류는 하이드로겔과 양립할 수 있고 선택적으로 함께 분배될 수 있다. 바람직일 실시 예에서, 외피 유체는 프린트 헤드로부터 그리고 프린트 헤드의 내부에서 하이드로겔의 움직임을 원활하게 하는 윤활제의 역할을 수행한다. 바람직일 실시 예에서, 외피 유체는 하이드로겔이 프린트헤드로부터 분배되기 전 혹은 분배되는 동안 최소 하이드로겔의 한 부분이라도 고체화시키는 가교제를 포함한다.
상기 방법은 3D 프린터의 설계를 공유하는 것을 포함한다.
공유는 예를 들면 프로그래밍 가능한 제어 프로세서에 의해서 달성될 것이다.
상기 방법은 3차원 공간 내에서 프린트 헤드와 수용 표면의 상대적인 위치 결정을 제어하는 것을 포함하고 동시에 프린트 헤드로부터 외피 유체와 하이드로겔을 홀로 혹은 혼합해서 분배하는 것을 포함한다. 바람직한 실시 예들에서, 프린트 헤드로부터 분배된 물질들은 동축으로 분배되고, 그 결과 외피 유체는 하이드로겔을 뒤덮는다. 이러한 동축 배열은 가교제가 하이드로겔을 고체화시키는 것을 가능하게 하고 그 결과 고체 하이드로겔 섬유가 프린트 헤드로부터 분배된다.
상기 방법은 수용 표면상에서 분배된 물질들의 제 1 층을 축적하는 것을 포함하고, 제 1 층이 설계에 의해 구체화된 물질의 배열과 되풀이하여 반복되는 축적 과정을 갖는 것을 포함하고, 물질의 제 1 그리고 차후의 층들 위에 차후의 물질을 축적하는 것을 포함하는데, 그 결과 세포를 실은 3D 구조를 생산하기 위한 설계에 의해 구체화된 기하학적 배열 내에 분배된 물질의 층층을 축적한다.
바람직한 실시 예들에서, 예를 들면 다중 하이드로겔 같은, 적어도 하나 또는 그 이상의 세포 종류를 포함하고 있는 물질들의 많은 수는 제어된 순서로 축적되었고, 그 결과 제어된 하이드로겔의 배열과 세포 종류들이 설계에 의해 구체화된 기하학적 배열에 축적되는 것을 가능하게 한다.
바람직한 실시 예들에서, 상기 방법은 수용 표면에서 그리고 선택적으로 분배된 하이드로겔의 표면에서부터 과도 외피 유체를 제거하는 것을 포함한다. 예를 들어, 과도 외피 유체를 제거하는 과정이 출력 과정을 통해서 지속적으로 이루어 질 수 있고, 그 결과 설계에 의해 제공된 기하학적 배열에 분배된 물질들의 층을 형성하는 것을 방해하게 될 과도 외피 유체를 제거한다. 그 대신에, 과도 외피 유체의 제거 과정은 일련의 출력 과정을 통해 혹은 하나 또는 그 이상의 축적 과정들과 동시에 간헐적으로 진행될 것이다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 과도 외피 유체의 제거는 유체를 수용 표면에서 그리고 선택적으로는 분배된 하이드로겔의 표면에서 끌어내는 것을 통해 달성된다. 다른 실시 예에서 과도 외피 유체의 제거는 과도 외피 유체를 수용 표면을 통해 끌어내는 것을 통해 달성되는데, 이 수용 표면은 외피 유체의 흐름을 가능하게 하도록 크기가 맞추어진 구멍들을 포함한다. 또 다른 실시 예에서 과도 외피 유체의 제거는 프린트 헤드 오리피스로부터 분배된 다음에 증발하는 외피 유체를 제공함으로써 달성된다.
세포가 실린 3차원 구조물의 프린팅 장치 및 방법의 실시 예들의 바람직한 사용
몇몇 실시 예들에 있어서, 여기에서 제공된 장치 및 방법을 사용하여 발생된 구조들은 예를 들면, 다양한 화학 복합체와 구성 요소들에 대한 세포 반응을 결정하는 것이 주 관심사인 신약 개발 분야에서 유용할 수 있다. 여기에서 제공된 장치 및 방법의 실시 예를 사용하여 제작된 3D 세포 배양균의 사용은 생체 세포 그리고 2D 세포 배양균과 관련 있는 조직 상태와 더 근접하게 닮아있는 실험적 상태들을 제공할 것이다. 세포들의 3D 배열은 더 근접하게 생체 세포와 세포간의 상호작용, 외부 자극에 대한 반응 그리고 장치를 사용하여 생산될 수 있는 3D 구조들의 불균일한 특성을 닮아갈 것이고, 제공된 방법은 조직 그리고 잠재적으로는 장기들에 대한 연구를 가능하게 한다. 여기에서 제공된 장치 및 방법의 실시 예를 사용하여 제작된 세포를 실은 3D 구조는 미용 상품들을 실험할 수 있는 대안적인 수단들을 제공함으로써 미용 산업에 유사한 이익을 제공할 것이다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 여기에서 제공된 장치 및 방법의 다양한 실시 예는 표준적인 웰-플레이트 기술과 양립 가능하다. 웰-플레이트 혹은 웰-플레이트 인써트는 프린트 베드와 함께 혹은 프린트 베드의 한 부분으로서 여기에서 제공된 방법과 시스템 내에서 사용될 것이다. 시스템 그리고 여기에서 제공된 방법의 다양한 실시 예는 따라서 기존의 프로세스 흐름에 순조롭게 통합되도록 하면서 웰-플레이트를 활용하는 기구, 실행들과 양립 가능하다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 프린트 헤드 내의 미세유체 채널들은 다른 미세유체 모듈들과 양립 가능하다. 예를 들어, 잘 알려진 미세유체 모듈들은 프린트 헤드 오리피스의 상부에 있는 여기에서 제공된 시스템들의 프린트 헤드에 포함될 것이다. 예를 들어, 이러한 모듈들은 세포 계산, 세포 분류, 세포 분석 그리고/혹은 모듈들을 발생시키는 농도 기울기를 포함할 것이다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 3D 출력의 처리량은 평행하게 추가적인 프린트 헤드 시스템에 더해짐으로써 증가될 것이다. 모든 요소들을 포함하고 있는 각 프린트 헤드는 다중 물질 구조를 출력하는 것을 요구하고 따라서 몇몇 3D 구조들이 시스템 내에서 추가적인 프린트 헤드를 포함함으로써 동시에 출력되는 것을 가능하게 한다.
비록 본 발명은 특정 실시 예를 참조하여 설명되었지만, 해당 기술분야의 숙련된 기술자들은 여기에 첨부된 특허청구범위에서 나타낸 바와 같은 본 발명의 목적 및 영역으로부터 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 명백하게 이해할 것이다. 여기에 제공된 예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 포함된 것이며 본 발명을 어느 방식으로 제한하고자 의도된 것은 아니다. 여기에 제공된 도면들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 포함된 것이며 본 발명을 어느 방식으로 제한하고자 의도된 것은 아니다. 여기에서 인용한 모든 종래기술의 설명들은 그 전체가 여기에서는 참조로서 통합된 것이다.
참조
다음의 참조문헌들은 본 발명과 관련된 공지기술의 예들로서 제공된다. 다음의 목록은 모든 관련분야의 포괄적인 리스트를 포함하도록 의도된 것은 아니다. 다음의 문헌들을 포함하여 본 출원에서 열거된 모든 참조의 전체 콘텐츠들은 여기에서 그들 전체가 참조로서 통합된 것이다.
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Claims (23)

  1. 적어도 하나의 제1 물질 및 적어도 하나의 제2 물질로부터 3차원(3D) 구조를 프린팅하기 위한 프린트헤드로서, 상기 프린트헤드는, 상기 물질을 분배하기 위한 오리피스 및 상기 프린트헤드 내에 배치되는 각기의 마이크로유체 채널과 유체 연통하는 물질을 수용하기 위한 적어도 두 개의 유입구를 포함하고, 상기 마이크로유체 채널은 상기 적어도 하나의 제1 물질을 수용 및 지향하기 위한 두 개의 제1 채널, 상기 적어도 하나의 제2 물질을 수용 및 지향하기 위한 두 개의 제2 채널 및 상기 오리피스까지 연장하는 분배 채널을 형성하도록 제1 교차점에서 제1 채널 각각을 함께 연결하는 제3 채널을 포함하고, 상기 두 개의 제2 채널은 제1 교차점까지 연장하는 제3 채널을 형성하기 위하여 제2 교차점에서 교차하고 함께 연결되고, 상기 제3 채널은 각각의 상기 제1 채널 및 분배 채널보다 작은 직경을 구비하여 제1 채널로부터의 적어도 하나의 제1 물질의 흐름은 프린팅 시 분배 채널에서 적어도 하나의 제2 물질 주위에 동축 외피를 형성하는 것인 프린트헤드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 물질은 외피 유체를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 물질은 적어도 하나의 하이드로겔을 포함하는 것인 프린트헤드.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 두 개의 제2 채널은 두 개의 하이드로겔 채널을 포함하고, 각 하이드로겔 채널은 각기의 하이드로겔을 전달하도록 되는 것인 프린트헤드.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 두 개의 하이드로겔 채널은 하이드로겔 코어 물질을 수용 및 지향하기 위한 코어 채널 및 하이드로겔 쉘 물질을 수용 및 지향하기 위한 쉘 채널을 포함하고, 상기 쉘 채널 및 제3 채널은, 하이드로겔 코어 및 하이드로겔 쉘 물질의 동축 집중을 용이하게 하기 위하여 코어 채널보다 큰 직경을 구비하여 상기 쉘 채널로부터의 하이드로겔 쉘 물질의 흐름은 상기 제3 채널에서 하이드로겔 코어 물질 주위에 동축 외피를 형성하는 것인 프린트헤드.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 물질은 상기 분배 채널 및/또는 제1 교차점에서 접촉할 때 상기 적어도 하나의 제2 물질을 고화시키기 위한 가교제를 포함하는 것인 프린트헤드.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 물질은 살아있는 세포를 포함하는 것인 프린트헤드.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 각 제1 채널은 상기 제1 교차점에서 상기 하나 이상의 제3 채널을 분기(flank)하도록 구성되는 것인 프린트헤드.
  8. 3차워 구조물의 첨삭 가공을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    - 상기 적어도 하나의 제1 물질 및 적어도 하나의 제2 물질을 수용 및 분배하기 위한 청구항 1 내지 7 중 어느 한항에 따른 적어도 하나의 프린트 헤드;
    - 유체 스위치로서, 각 유체 스위치는 프린트 헤드의 마이크로유체 채널 중 어느 하나에 대응하고 작동 시 상기 프린트 헤드의 마이크로유체 채널의 유체 흐름을 허용 또는 금지하도록 구성되는 유체 스위치-임의적으로 상기 유체 스위치는 밸브를 포함함-;
    - 오리피스로부터 분배되는 물질의 제1 층을 수용하기 위한 수용 표면;
    - 3차원 공간에서 상기 프린트헤드의 오리피스의 위치 선정을 위한 위치선정 유닛-상기 위치선정 유닛은 상기 프린트헤드에 작동가능하게 결합됨; 및
    - 상기 프린트헤드의 오리피스로부터 물질을 분배하기 위한 분배 수단-임의적으로 상기 분배 수단은 압력 제어유닛을 포함함;
    을 포함하는 것인 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 위치선정 유닛을 제어하고 상기 프린트헤드로부터 상기 수용 표면 상으로의 물질의 분배를 제어하기 위한 프로그래밍 가능한 제어 프로세서를 더 포함하는 것인 시스템.
  10. 청구항 8 또는 9에 있어서, 상기 프린트헤드로부터 분배되는 과도한 제1 물질을 제거하기 위한 유체 제거 특색(형체)을 더 포함하는 것인 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 수용 표면은 과도한 제1 물질의 통과를 허용하는 크기의 공극을 포함하는 다공성 멤브레인을 포함하는 것인 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 유체 제거 특색(형체)은 상기 수용 표면으로부터 또는 상기 수용 표면을 통해 과도한 제1 물질을 추출하기 위한 흡착재료 또는 진공을 포함하는 것인 시스템.
  13. 청구항 8 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질을 함유하기 위한 저장소를 더 포함하고, 상기 저장소는 상기 프린트 헤드에서 상기 유입구 및 마이크로유체 채널에 각각 유체 연결되는 것인 시스템.
  14. 청구항 8 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프린트헤드는상기 오리피스로부터 수용 표면을 향해 연장하도록 구성되는 중공의 돌출부를 더 포함하는 것인 시스템.
  15. 3차원(3D) 구조의 프린팅 방법으로서, 상기 방법은,
    청구항 8 내지 14 중 어느 한 항에 따른 3차원 구조의 첨삭 가공을 위한 시스템을 제공하는 것;
    분배될 물질을 제공하는 것-상기 분배될 물질은 외피 유체 및 하나 이상의 하이드로겔을 포함함;
    프린팅될 3D 구조의 시스템을 인코딩하는 것;
    분배될 물질을 상기 프린트헤드 오리피스로부터 분배하는 것-상기 외피 유체 및 하나 이상의 하이드로겔은 동축 배열로 분배되고, 상기 외피 유체는 하나 이상의 하이드로겔을 둘러쌈;
    수용 표면에 분배되는 물질의 제1 층을 증착하는 것;
    증착 물질의 제1 층 및 후속 층에 후속의 분배 물질을 증착함으로써 상기 증착을 반복하여 3D 구조에 따른 기하학적 배열로 분배 물질을 층층이 증착하는 것; 및
    상기 증착 동안 또는 증착 사이 하나 이상의 시간 지점에 상기 프린트헤드 오리피스에 의해 분배되는 과도한 외피 유체를 제거하는 것;
    을 포함하는 것인 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 외피 유체는 접촉 시 하나 이상의 하이드로겔 중 적어도 하나를 가교 및 고화시키기 위한 가교제를 더 포함하고, 상기 접촉은 하이드로겔 섬유를 생성하는 것인 방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 시스템은 청구항 4의 프린트헤드를 포함하고, 분배될 상기 물질은 하이드로겔 코어 물질, 하이드로겔 쉘 물질 및 외피 유체를 포함하고, 상기 하이드로겔 쉘 물질 및 하이드로겔 코어 물질은 동축 배열로 분배되고, 상기 하이드로겔 쉘 물질은 하이드로겔 코어 물질을 둘러싸고, 상기 외피 유체는 하이드로겔 쉘 물질을 둘러싸는 것인 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 외피 유체는 하이드로겔 쉘 물질을 가교 및 고화시키기 위한 가교제를 포함하고, 상기 가교제는 접촉 시 임의적으로 하이드로겔 코어 물질을 가교 및 고화시키기에 적합하고, 상기 접촉은 하이드로겔 섬유를 생성하는 것인 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 하이드로겔 코어 물질은 가교제와 접촉 시 겔(gel)화하지 못하여 중공의 하이드로겔 섬유의 생성을 용이하게 하는 것인 방법.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 하이드로겔 코어 물질은 후속의 증착물을 고화시키는 것인 방법.
  21. 청구항 15 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증착하는 것 및 제거 하는 것은 연속적으로 수행되어 분배 물질의 층들이 증착되면서 과도한 외피 유체를 연속적으로 제거하는 것인 방법.
  22. 청구항 15 내지 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제거하는 것은 상기 증착하는 것 사이에서 간헐적으로 및/또는 동시에 수행되어, 분배 물질의 층들이 증착되면서 과도한 외피 유체는 간헐적으로 제거되는 것인 방법.
  23. 청구항 15에 있어서, 상기 하나 이상의 하이드로겔 중 적어도 하나는 내부에 분배되는 살아있는 세포들의 성장 및/또는 확산을 지지하도록 되는 것인 방법.









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