KR20210107653A - 생물학적 물질에 상응하는 3차원 구조체를 프린팅하기 위한 조성물 및 방법 - Google Patents

생물학적 물질에 상응하는 3차원 구조체를 프린팅하기 위한 조성물 및 방법 Download PDF

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KR20210107653A
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멜라니에 피 마테우
칼 요한 토르비욘 보르글린
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프렐리스 바이오로직스, 인크.
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Abstract

본원에서는 3차원 세포 함유 매트릭스의 바이오 프린팅을 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 추가로, 본원에서는 예컨대, 네프론 또는 폐포 구조체를 포함하는 신장 또는 폐와 같은 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 본원에서는 또한 네프론 및/또는 폐포 구조체 생성에 사용하기 위한 바이오 프린팅된 3차원 매트릭스를 제공한다.

Description

생물학적 물질에 상응하는 3차원 구조체를 프린팅하기 위한 조성물 및 방법
상호 참조
본 출원은 2018년 11월 13일 출원된 미국 특허 가출원 제62/760,766호의 이익을 주장하고, 이는 그 전문이 본원에서 참조로 포함된다.
배경
조정가능한 영양소 및 가스 교환은 예컨대, 세포 및 조직과 같은 생물학적 성분의 발생 뿐만 아니라, 화학 반응 촉진 또는 미세규모의 유체 혼합에 중요하다. 그러한 시스템을 구성하는 방법은 2차원 구조체, 고도로 균일한 적층된 구조체 또는 튜브 및 구조체의 무작위적인 증착을 기반으로 한다.
예컨대, 크기, 모세혈관 길이, 및 형상 크기 및 유동 제어 변화를 허용하는 3차원 복잡성과 같은 조정가능한 특성을 갖는 생물학적 구조 및 막 구조는 시스템이 무작위 또는 단순 반복 구조보다 더욱 큰 효율로 성분 교환을 촉진시키도록 허용할 수 있다.
다양한 투과성의 말단 단부 미세 구조는 특정 성분의 제거 또는 단리를 허용 할 수 있다. 그러한 구조의 예는 생체 조직에서 말단 림프관으로 제시되지만, 이는 특이성 및 선택성이 높은 특정 성분의 화학적 프로세스, 여과 또는 단리에서 적용가능한 "스마트한" 필터 생성에도 적용될 수 있다.
제어되되, 변화되는 표면적 대 부피 비는 확산된 유리, 액체, 단백질 또는 다른 성분의 확산 및 상호작용을 최대화시키는 데 중요할 수 있다. 추가로, 물질을 단리시키거나, 포획하거나, 또는 물질을 위한 단방향 도관으로서의 역할을 할 수 있는, 제어되되, 변화되는 구조는 물질 회수의 효율 및 속도를 증가시킬 수 있다. 이는 예를 들어, 비생물학적 물질로 만들어진 필터의 경우, 세포 존재 또는 부재하에서 수행될 수 있다. 산소, 영양소 또는 다른 성분의 분포가 제어되거나, 조정가능한 것이 유익한 3차원 부피는 산소, 영양소 또는 다른 성분 분포가 특정 위치에서 원하는 대로 최대로 이루어질 수 있도록 표면 대 부피 비 변동 뿐만 아니라, 3차원 포지셔닝을 디자인한 복합 구조체 개발로부터 이익을 얻는다.
요약
한 측면에서, 본 개시내용은 (a) 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 서브유닛 및 관을 포함하는 3차원(3D: three-dimensional) 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계; 및 (b) 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 (a)로부터의 컴퓨터 모델에 따라 3D 구조체를 프린팅하는 단계를 포함하고, 여기서, 3D 구조체는 대상체에서 이식가능한 것인, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체를 생성하는 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 생물학적 물질은 신장이다. 일부 실시양태에서, 생물학적 물질은 폐이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 사구체이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 사구체 주위에 보우만 주머니를 갖는 사구체이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 폐포이다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 가스 교환을 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 복수의 대사 활성 화합물 교환을 포함한다. 일부 실시양태에서, 복수의 대사 활성 화합물은 영양소, 당, 염, 아미노산, 및 대사 노폐물로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 혈장 여과를 포함한다. 일부 실시양태에서, 관은 하나 이상의 혈관, 또는 하나 이상의 림프관, 또는 그 둘 모두를 포함한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 혈관은 하나 이상의 모세혈관을 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합하는 서브유닛, 및 관은 슈퍼유닛(superunit)을 형성한다. 일부 실시양태에서, 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 상기 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하는 것을 추가로 포함하고, 여기서, 상기 3D 구조체는 상기 생물학적 물질에 상응하는 것이다.
일부 실시양태에서, 본 방법은 하나 이상의 프로세서를 이용하여 본원에 개시된 컴퓨터 모델에 복수의 배출 지점을 부가하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 생물학적 물질 내의 순 양의 유압을 유지하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 생성 디자인 알고리즘에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 복수의 모세혈관의 밀도에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 3D 구조체의 혈압에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 본 방법은 적어도 부분적으로 서브유닛, 서브유닛의 벽, 또는 그 둘 모두에 결합하는 관의 일반화된 위치를 이용하여 표면을 확인하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 본 방법은 표면을 갖는 서브유닛의 표면적을 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 결정하는 단계는 적어도 부분적으로 서브유닛의 직경 근사치로부터 도출된 복수의 3차원 추정치를 사용하는 것, 또는 3D 구조체의 부피 산출치를 생물학적 물질의 예정된 부피 범위와 비교하여 표면적을 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시양태에서, 관은 모세혈관이고, 공간 내에 배치된 복수의 모세혈관의 총 표면적을 이용하여 관의 개수를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 관은 모세혈관이고, 생물학적 유체의 모세혈관의 부피와 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하는 것을 포함하는 모세혈관의 길이를 결정하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 서브유닛은 모세혈관에 결합한다. 일부 실시양태에서, 3D 구조체는 조직 순환 항상성을 유지하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 3D 구조체는 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터의 부피를 포함한다. 일부 실시양태에서, 3D 구조체는 (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하고; (b) 컴퓨터 메모리에서 3D 구조체를 프린팅하기 위한 컴퓨터 모델에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 (i) 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 구조체의 적어도 일부를 형성함으로써 프린팅된다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리(Loop of Henle) 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 (a) 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 컴퓨터 메모리에서 서브유닛 및 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하는 단계; 및 (b) 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 (a)에서 생성된 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함하는, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체를 생성하는 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 생물학적 물질은 신장이다. 일부 실시양태에서, 생물학적 물질은 폐이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 사구체이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 사구체 주위에 보우만 주머니를 갖는 사구체이다. 일부 실시양태에서, 서브유닛은 폐포이다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 가스 교환을 포함한다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 복수의 대사 활성 화합물 교환을 포함한다. 일부 실시양태에서, 복수의 대사 활성 화합물은 영양소, 당, 염, 아미노산, 및 대사 노폐물로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 생물학적 기능은 혈장 여과를 포함한다. 일부 실시양태에서, 관은 하나 이상의 혈관 및 하나 이상의 림프관을 포함한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 혈관은 하나 이상의 모세혈관을 포함한다.
일부 실시양태에서, 본 방법은 하나 이상의 프로세서를 이용하여 (a)로부터의 컴퓨터 모델에 복수의 배출 지점을 부가하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 생물학적 물질 내의 순 양의 유압을 유지하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 생성 디자인 알고리즘에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 복수의 모세혈관의 밀도에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 복수의 배출 지점은 적어도 부분적으로 3D 구조체의 혈압에 기초하여 배치된다. 일부 실시양태에서, 본 방법은 적어도 부분적으로 서브유닛, 서브유닛의 벽, 또는 그 둘 모두에 결합하는 관의 일반화된 위치를 이용하여 표면을 확인하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 본 방법은 표면을 갖는 서브유닛의 표면적을 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 관은 모세혈관이고, 공간 내에 배치된 복수의 모세혈관의 총 표면적을 이용하여 관의 개수를 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 결정하는 단계는 적어도 부분적으로 서브유닛의 직경 근사치로부터 도출된 복수의 3차원 추정치를 사용하는 것, 또는 3D 구조체의 부피 산출치를 생물학적 물질의 예정된 부피 범위와 비교하여 표면적을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 관은 모세혈관이고, 생물학적 유체의 모세혈관의 부피와 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하는 것을 포함하는 모세혈관의 길이를 결정하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 서브유닛은 모세혈관에 결합한다. 일부 실시양태에서, 3D 구조체는 조직 순환 항상성을 유지하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 3D 구조체는 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터의 부피를 포함한다.
일부 실시양태에서, 3D 구조체는 (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하고; (b) 컴퓨터 메모리에서 3D 구조체를 프린팅하기 위한 컴퓨터 모델에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 (i) 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 구조체의 적어도 일부를 형성함으로써 프린팅된다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 개별적으로 또는 일괄적으로 (a) 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 서브유닛 및 관을 포함하는 3차원(3D) 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하고; (b) 3D 구조체를 프린팅하기 위해 (a)로부터의 컴퓨터 모델을 3D 프린터로 전송하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하고, 여기서, 3D 구조체는 대상체에서 이식가능한 것인, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 개별적으로 또는 일괄적으로 (a) 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 컴퓨터 메모리에서 서브유닛 및 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하고; (b) (a)에서 생성된 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계; 및 (b) 컴퓨터 메모리에서 3D 세포 함유 의료 장치를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 (i) 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서, 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인, 3D 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 폐포 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 네프론 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 모세혈관 구조체이다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 대상체로부터의 것이다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 봉합, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀 또는 나사를 형성한다.
일부 실시양태에서, 이식편은 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터의 부피를 포함한다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 혈관구조 또는 신경의 성장을 촉진시키는 제제를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 제제는 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 통증 완화제, 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체, 및 줄기 세포 증식제로 구성된 군으로부터 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 복수의 세포를 포함하는 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 프린팅하는 단계를 포함하고, 여기서, 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인, 3D 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 폐포 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 네프론 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 모세혈관 구조체이다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 대상체로부터의 것이다. 일부 실시양태에서, 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 목록으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성한다. 일부 실시양태에서, 이식편은 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터의 부피를 포함한다. 일부 실시양태에서, 세포 함유 매트릭스는 혈관구조 또는 신경의 성장을 촉진시키는 제제를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 제제는 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 통증 완화제, 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체, 및 줄기 세포 증식제로 구성된 군으로부터 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 (a) 제1 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함하는 제1 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계; (b) 컴퓨터 메모리에서 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 제1 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제1 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 부분을 형성하게 만드는 단계; (c) 매질 챔버에 제2 매질을 제공하는 단계로서, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것인 단계; 및 (d) 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 제2 부분을 형성하게 만드는 단계를 포함하고, 여기서, 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인, 3D 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법을 제공한다.
일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 폐포 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 네프론 구조체이다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 모세혈관 구조체이다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 복수의 세포는 대상체로부터의 것이다. 일부 실시양태에서, 제1 및 제2 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택된다.
일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성한다. 일부 실시양태에서, 이식편은 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택된다. 일부 실시양태에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터의 부피를 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의한 실행시 상기 또는 본원 다른 곳의 방법들 중 임의의 것을 구현하는 기계 실행가능 코드를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 제공한다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 하나 이상의 컴퓨터 프로세서, 및 그에 결합된 컴퓨터 메모리를 포함하는 시스템을 제공한다. 컴퓨터 메모리는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의한 실행시 상기 또는 본원 다른 곳의 방법들 중 임의의 것을 구현하는 기계 실행가능 코드를 포함한다.
본 개시내용의 추가 측면 및 이점은, 본 개시내용의 단지 예시적인 실시양태가 제시되고, 기술되는 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 자명해질 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 개시내용은 다르고, 상이한 실시양태가 가능하고, 그의 몇몇 상세한 사항은 모두 본 개시내용으로부터 벗어남 없이 다양한 명백한 관점에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 제한적인 것이 아니라, 사실상 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
참조에 의한 포함
본 명세서에서 언급된 모든 공개문헌들, 특허들 및 특허 출원들은 각각의 개별 공개문헌, 특허 또는 특허 출원이 마치 구체적으로 및 개별적으로 참조로 포함되는 것으로 명시된 것처럼 동일한 정도로 본원에서 참조로 포함된다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 새로운 특징은 첨부된 청구범위에서 구체적으로 설명된다. 본 발명의 원리가 이용되는 예시적인 실시양태를 설명하는 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면 (또한 본원의 "도(Figure)" 및 "도(FIG.)")을 참조하면 본 발명의 특징 및 이점을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다:
도 1은 원하는 조직의 신속 다광자 프린팅을 위한 시스템의 실시양태를 예시한 것을 도시한 것이다.
도 2a-2d는 매질 챔버 내에서 원하는 조직을 생성하는 예시적인 단계를 도시한 것이다. 도 2a는 제1 세포 군을 포함하는 매질을 함유하는 매질 챔버를 도시한 것이다. 도 2b는 제2 세포 군을 포함하는 매질을 함유하는 매질 챔버를 도시한 것이다. 도 2c는 다광자 레이저 빔의 펄스를 매질로 전달하는 것을 도시한 것이다. 도 2d는 세포 함유 스캐폴딩이 매질을 함유하는 매질 챔버의 바닥을 따라 프린팅되는 실시양태를 도시한 것이다.
도 3a-3c는 레이저 시스템의 다양한 실시양태를 도시한 것이다. 도 3a는 단일 다광자 레이저원을 갖는 레이저 시스템의 실시양태를 도시한 것이다. 도 3b는 다중 레이저 라인을 갖는 레이저 시스템의 실시양태를 도시한 것이다. 도 3c는 다중 레이저 라인, 광전자 증배관(PMT: photomultiplier), 및 대물 렌즈를 포함하는 레이저 시스템의 실시양태를 도시한 것이다.
도 4a-4c는 프린팅 시스템의 다양한 실시양태를 도시한 것이다. 도 4a는 빔 익스팬더, 광학 집속 렌즈, 추가 레이저 집속 렌즈를 포함하고, 액시콘 또는 TAG 렌즈는 없는 프린팅 시스템의 실시양태를 도시한 것이다. 도 4b는 빔 익스팬더, 광학 집속 렌즈, 추가 레이저 집속 렌즈, 및 액시콘 또는 TAG 렌즈를 포함하는 프린팅 시스템의 실시양태를 도시한 것이다. 도 4c는 주어진 Z 스텝으로 프린팅된 세포 및 생성된 구조체 주변을 프린팅하기 위한 2D, x, y 시트 또는 홀로그램 투영을 단일 SLM 또는 DMD를 포함하는 Z 스텝 투영 프린팅 셋업을 도시한 것이다.
도 5a-5b는 다광자 조직 프린팅 헤드의 다양한 실시양태를 도시한 것이다. 도 5a는 단일, 정립 대물 렌즈를 포함하는 다광자 조직 프린팅 헤드의 실시양태를 도시한 것이다. 도 5b는 구조체를 영상화하기 위한 도립 광학부를 갖는 다광자 조직 프린팅 헤드의 실시양태를 도시한 것이다.
도 6a-6b는 착탈식(removable and attachable) 광섬유 케이블 액세서리의 실시양태를 도시한 것이다. 도 6a는 광섬유 케이블 액세서리 및 광섬유 케이블을 도시한 것이다. 도 6b는 원하는 복잡한 조직 구조체를 프린팅하는 데 사용된 광섬유 케이블 액세서리를 도시한 것이다.
도 7은 프린팅-헤드 광학부가 적어도 3개 대물렌즈를 포함하고, 여기서, 각 대물렌즈는 단일 매질 챔버로 유도되는 광섬유 케이블 액세서리를 포함하는 것인 실시양태를 도시한 것이다.
도 8은 프린팅-헤드 광학부가 적어도 6개 대물렌즈를 포함하고, 여기서, 각 대물렌즈는 별개의 매질 챔버, 예컨대, 다중 웰 플레이트의 별개의 웰로 유도되는 광섬유 케이블 액세서리를 포함하는 것인 실시양태를 도시한 것이다.
도 9는 프린팅 헤드로서 작용하는 대물렌즈의 어레이를 갖는 프린팅-헤드 광학부의 실시양태를 도시한 것이다.
도 10은 다중 웰 플레이트 상에서 X 및 Y 방향으로 이동하여 각 웰 내로 레이저 빔 투영을 전달하도록 프로그래밍된 대물렌즈를 도시한 것이다.
도 11은 본원에 제공된 방법을 구현하도록 프로그래밍되거나, 또는 다르게는 그러하도록 구성된 컴퓨터 시스템을 보여주는 것이다.
도 12는 시간 집속 부재하의 프린팅 시스템의 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다.
도 13은 시간 집속 존재하의 프린팅 시스템의 추가 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다.
도 14는 시간 집속 부재하의 프린팅 시스템의 추가의 또 다른 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다.
도 15는 광 검출 시스템을 도시한 것이다.
도 16a-16d는 네프론 및 모세혈관 구조의 예를 도시한 것이다. 도 16a는 네프론 구조의 정면도를 도시한 것이다. 도 16b는 네프론 및 모세혈관 구조의 측면도를 도시한 것이다. 도 16c는 네프론 및 모세혈관 구조의 등각 투상도를 도시한 것이다. 도 16d는 네프론 및 모세혈관 구조의 근위 단부의 분해조립도를 도시한 것이다.
도 17a-17d는 관 구조의 예를 도시한 것이다. 도 17a는 관 구조의 상면도를 도시한 것이다. 도 17b는 관 구조의 측면도 및 분해조립도를 도시한 것이다. 도 17c는 관 구조의 등각 투상도를 도시한 것이다. 도 17d는 관 구조의 정면도를 도시한 것이다.
도 18은 관 구조의 한쪽 단부의 단면도 및 분해조립도를 보여주는 것이다.
도 19는 관 구조를 포함하는 예시적인 유체 시스템 셋업을 도시한 것이다.
도 20a-20b는 관 구조의 예시적인 포트 형상을 도시한 것이다. 도 20a는 관 중의 다양한 주입 포트를 도시한 것이다. 도 20b는 2개의 채널 및 2개의 포트를 포함하는 예시적인 관 구조를 도시한 것이다.
도 21은 세뇨관 어레이의 예시적인 형상을 도시한 것이다.
도 22a-22c는 예시적인 세뇨관 단위를 도시한 것이다. 도 22a는 세뇨관 단위의 저면, 등각 투상도를 도시한 것이다. 도 22b는 세뇨관 단위의 상면, 등각 투상도를 도시한 것이다. 도 22c는 세뇨관 단위의 정면도를 도시한 것이다.
도 23a-23b는 예시적인 폐포 구조체를 도시한 것이다. 도 23a는 다수의 폐포 구조체의 예를 도시한 것이다. 도 23b는 공유 모세혈관 시스템과 결합된 다수의 폐포 구조체의 단면도 및 분해조립도를 도시한 것이다.
도 24a-24d는 예시적인 폐포 디자인을 도시한 것이다. 도 24a는 제1 폐포 디자인을 도시한 것이다. 도 24b는 출구 포트를 포함하는 제1 폐포 디자인을 도시한 것이다. 도 24c는 제2 폐포 디자인을 도시한 것이다. 도 24d는 제2 폐포 디자인을 포함하는 프린팅된 폐포 구조체를 도시한 것이다.
도 25a-25b는 프린팅된 폐포 구조체의 예시적인 단부 부분을 보여주는 것이다. 도 25a는 프린팅된 폐포 구조체의 단부 중 하나의 단면도를 보여주는 것이다. 도 25b는 양압 유동 시험 동안 프린팅된 폐포 구조체의 단부 중 하나의 영상을 보여주는 것이다.
도 26a-26d는 예시적인 바스켓 디자인을 도시한 것이다. 도 26a는 바스켓 디자인의 측면도를 도시한 것이다. 도 26b는 바스켓 디자인의 상면도를 도시한 것이다. 도 26c는 바스켓 디자인의 저면도를 도시한 것이다. 도 26d는 바스켓 디자인의 등각 투상도를 도시한 것이다.
도 27A-27B는 프린팅된 바스켓 디자인을 보여주는 것이다. 도 27A는 바스켓 디자인의 저초점면의 현미경 영상을 보여주는 것이다. 도 27B는 바스켓 디자인의 상초점면의 현미경 영상을 보여주는 것이다.
도 28은 모세혈관상의 예를 도시한 것이다.
도 29A-29D는 본원에 기술된 방법 및 시스템을 이용하여 프린팅된 혈관을 보여주는 것이다.
도 30A-30B는 혈관구조 구조체 상에서 성장하는 세포를 보여주는 것이다.
도 31A 및 31B는 보우만 주머니 존재 및 부재하의 사구체 모세혈관 결절을 보여주는 것이다.
도 32A 및 32B는 근위관 및 사구체를 보여주는 것이다.
상세한 설명
본 발명의 다양한 실시양태가 본원에 제시되고, 기술되었지만, 그러한 실시양태는 단지 예로서 제공된 것이라는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명으로부터 벗어남 없이 다수의 변형, 변경 및 치환을 당업자는 착안해 낼 수 있을 것이다. 본원에 기술된 본 발명의 실시양태에 대한 다양한 대안이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본원에서 사용된 용어는 단지 특정 경우를 기술하기 위한 것이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 사용되는 바, "하나"("a," "an") 및 "그"라는 단수 형태는 문맥상 달리 명확하게 명시되지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 추가로, "포함하는(including)," "포함하다," "갖는," "갖다," "~와 함께," 또는 그의 이형이 상세한 설명 및/또는 청구범위에서 사용되는 경우, 상기 용어는 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.
"약" 또는 "대략"이라는 용어는 양이 언급된 양에 약 10%, 5%, 또는 1%(그 안의 증분량 포함)만큼 가깝다는 것을 지칭한다. 예를 들어, "약" 또는 "대략"은 특정 값을 포함하고, 상기 특정 값 아래로 10%에서부터 상기 특정 값 위로 10%에 이르는 범위를 의미할 수 있다.
본원에서 사용되는 바, "생물학적 물질"이라는 용어는 일반적으로 화학적 또는 생물학적 기능을 수행할 수 있는 임의의 물질을 지칭한다. 생물학적 물질은 생물학상 기능성 조직 또는 기능성 조직일 수 있고, 이는 생체역학적 또는 생물학적 기능을 수행할 수 있거나, 또는 수행하는 생물학적 구조체일 수 있다. 생물학상 기능성 조직은 서로로부터 확산 거리 이내에 있는 세포를 포함할 수 있고, 각 세포가 모세혈관 또는 혈관망 성분의 확산 거리 이내에 있고, 단백질 기능의 이행을 촉진시키고/거나, 그를 억제시키거나, 또는 그의 임의 조합인 적어도 한 세포 유형을 포함한다. 생물학상 기능성 조직은 조직 또는 기관, 또는 예컨대, 생명 유지와 관련된 중요 기관의 적어도 일부일 수 있다. 일부 예에서, 생물학적 물질은 예를 들어, 상이한 치료제를 이용하여 다중 세포 또는 조직을 스크리닝함으로써 약물 개발을 진전시킬 수 있다.
생물학적 물질은 하나 이상의 상이한 유형의 물질, 예컨대, 세포를 포함하는, 매트릭스, 예컨대, 중합체 매트릭스, 바이오겔, 하이드로겔, 또는 중합체 스캐폴드를 포함할 수 있다. 생물학적 물질은 기관 또는 오르가노이드(예컨대, 신장, 폐)일 수 있다. 생물학적 물질은 림프양 기관 및 오르가노이드를 포함할 수 있다. 생물학적 물질은 1차 세포, 세포주, 줄기 세포, 줄기 세포주, 분화된 줄기 세포, 전환분화된 줄기 세포, 자가조직 세포, 동종이계 세포, 만능성 줄기 세포, 배아 줄기 세포, 유도 만능성 줄기 세포, 또는 그의 임의 조합의 인간 동물 공급원으로 유래될 수 있다. 생물학적 물질은 다양한 형상, 크기 또는 형태일 수 있다. 일부 경우에, 생물학적 물질은 예컨대, 육류 또는 육류 유사 물질과 같이 대상체(예컨대, 동물)에 의해 섭취가능한 것일 수 있다. 일부 경우에, 생물학적 물질은 대상체로부터의 것(예컨대, 기증자로부터의 세포 배양물)이다. 생물학적 물질은 생물학적 물질에 기능성을 부여하도록 구성된 하나 이상의 서브유닛(예컨대, 신장의 사구체, 폐의 폐포)를 포함할 수 있다. 생물학적 물질은 하나 이상의 서브유닛을 포함하는 하나 이상의 슈퍼유닛(예컨대, 사구체를 포함하는 신장의 네프론)을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바, "3차원 프린팅"(또한, "3D 프린팅")이라는 용어는 일반적으로 3D 부분(또는 물체)을 생성하는 프로세스 또는 방법을 지칭한다. 상기 프로세스는 3D 부분(또는 물체), 예컨대, 3D 생물학적 물질을 형성하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 바, "에너지 빔"이라는 용어는 일반적으로 에너지의 빔을 지칭한다. 에너지 빔은 전자기 에너지 또는 전자기 방사선의 빔일 수 있다. 에너지 빔은 입자 빔일 수 있다. 에너지 빔은 광선 빔(예컨대, 감마파, x선, 자외선, 가시 광선, 적외선, 마이크로파, 또는 라디오파)일 수 있다. 광선 빔은 방사선("레이저")의 자극 방출에 의한 광 증폭에 의해 제공될 수 있는 바, 간섭성 광선 빔일 수 있다. 일부 예에서, 광선 빔은 레이저 다이오드 또는 다중 다이오드 레이저에 의해 생성된다.
본원에서 사용되는 바, "동종"이라는 용어는 일반적으로 복수의 세포가 유전적으로 비동일한 기증자로부터 수득된 것임을 지칭한다. 예를 들어, 동종 세포는 기증자로부터 추출되고, 상이하고, 유전적으로 비동일한 수혜자에게로 다시 복귀된다.
본원에서 사용되는 바, "동종"이라는 용어는 일반적으로 복수의 세포가 유전적으로 동일한 기증자로부터 수득된 것임을 지칭한다. 예를 들어, 자가조직 세포는 환자로부터 추출되고, 동일하고, 유전적으로 동일한 개체(예컨대, 기증자)에게로 다시 복귀된다.
본원에서 사용되는 바, "만능성 줄기 세포"(PSC: pluripotent stem cell)라는 용어는 일반적으로 적절한 조건하에서 3개 배엽층(즉, 내배엽, 중배엽, 및 외배엽) 모두의 유도체인 상이한 세포 유형을 생산할 수 있는 세포를 지칭한다. 인간 배아 줄기(hES: human embryonic stem) 세포, 인간 배아 생식(hEG: human embryonic germ) 세포; 비인간 배아 줄기 세포, 예컨대, 다른 영장류로부터의 배아 줄기 세포, 예컨대, 레수스 줄기 세포, 마모셋 줄기 세포; 뮤린 줄기 세포; 핵 전달 기술에 의해 생성된 줄기 세포 뿐만 아니라, 유도 만능성 줄기 세포(iPSC: induced pluripotent stem cell)를 비롯한, 다양한 유형의 배아 줄기 세포가 만능성 줄기 세포의 정의에 포함된다.
본원에서 사용되는 바, "배아 줄기 세포"(ESC: embryonic stem cell)라는 용어는 일반적으로 세포가 3개 배엽층(즉, 내배엽, 중배엽, 및 외배엽)으로 상당부 분화되기 전, 배반포로부터 유래된 만능성 줄기 세포를 지칭한다. ESC는 임의의 상업적으로 이용가능하거나, 널리 확립된 ESC 세포주, 예컨대, H9, H1, H7, 또는 SA002를 포함한다.
본원에서 사용되는 바, "유도 만능성 줄기 세포" 또는 "iPSC(induced pluripotent stem cell)"라는 용어는 일반적으로 배아 줄기 세포의 것과 유사한 만응성 상태로 재프로그래밍된 체세포를 지칭한다. 인간 iPSC 및 비인간 iPSC, 예컨대, 영장류 체세포 또는 뮤린 체세포인 체세포로부터 유래된 iPSC를 비롯한, 다양한 유형의 iPSC는 iPSC 정의에 포함된다.
본원에서 사용되는 바, "에너지원"라는 용어는 일반적으로 레이저, 예컨대, 섬유 레이저, 단파 펄스 레이저, 또는 펨토초 펄스 레이저; 열원, 예컨대, 열 플레이트, 램프, 오븐, 가열 수조, 세포 배양 인큐베이터, 가열 챔버, 전기로, 또는 건조 오븐; 광원, 예컨대, 백색광, 적외선, 자외선(UV: ultraviolet) 광선, 근적외선(NIR: near infrared) 광선, 가시 광선, 또는 발광 다이오드(LED: light emitting diode); 음 에너지원, 예컨대, 초음파 프로브, 초음파발생장치, 또는 초음파 배쓰; 전자기 방사선원, 예컨대, 마이크로파원; 또는 그의 임의 조합을 지칭한다.
본원에서 사용되는 바, "바이오겔"라는 용어는 일반적으로 하이드로겔, 생체적합성 하이드로겔, 중합체 하이드로겔, 하이드로겔 비드, 하이드로겔 나노입자, 하이드로겔 미세소적, 섭씨 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 점도가 적어도 약 10 x 10-4 파스칼-초(Pa·s) 내지 약 100 Pa·s 이상 범위인 용액, 비하이드로겔 비드, 나노입자, 미세입자, 나노로드, 나노쉘, 리포솜, 나노와이어, 나노튜브, 또는 그의 조합을 포함하는 하이드로겔; 액상 성분이 물인 겔; 분해성 하이드로겔; 비분해성 하이드로겔; 재흡수성 하이드로겔; 자연적으로 유래된 중합체를 포함하는 하이드로겔; 또는 그의 임의 조합을 지칭한다.
본원에서 사용되는 바, "비생물학적 구조체"라는 용어는 일반적으로 살아있는 세포를 함유하지 않는 구조체를 지칭한다.
본원에서 사용되는 바, "슈퍼유닛"이라는 용어는 일반적으로 하나 이상의 더 작은 서브유닛을 포함하는 생물학적 물질의 단위를 지칭한다. 예를 들어, 신장의 슈퍼유닛은 사구체 서브유닛을 포함하는 네프론일 수 있다. 슈퍼유닛 및 슈퍼구조체라는 용어는 상호교환적으로 사용될 수 있다.
3차원(3D) 프린팅된 구조체
본 발명은 조정가능하고, 제어되는 포맷으로 액체, 가스, 및, 또는 영양소의 교환 또는 제거를 촉진시키도록 디자인된 관상 미세구조체에 연결된 혈관화된 3차원 복합체 개발을 제공한다.
조직 구조체는 산소, 영양소의 분포, 및 세포 대사에 의해 생산된 부산물의 제거를 필요로 한다. 영양소의 분포 및 노폐물의 제거를 허용하는 구조체는 균일하고, 완전한 산소 확산을 허용하는 간격하에서 최대로 효율적이다. 직경이 더 작은 관이 더 큰 표면 대 부피 비를 허용하고, 이는 영양소 교환 및 노폐물 제거를 촉진시킨다. 직경이 작은 관을 배치 및 분포시킴으로써 산소 및 영양소 교환 속도를 제어할 수 있고, 이로써, 특정 세포 유형의 경우, 특정 화학 반응을 촉진시키거나, 미세 조작되고, 디자인된 저산소 상태(낮은 산소) 또는 낮은 유동 부위를 도입하도록 조정될 수 있다.
본 개시내용은 3차원(3D) 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 한 측면에서, 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 방법은 (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 이어서, 적어도 하나의 에너지 빔은 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 3D 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도될 수 있다. 이는 (i) 적어도 2개의 상이한 유형의 세포를 포함하는 것인 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
본 개시내용의 방법 및 시스템은 세포, 산소, 액체, 가스 또는 이종 물질의 미세순환을 촉진시키는 관을 구성하는 데 및/또는 관의 조직화를 디자인하는 데 사용될 수 있다. 본 개시내용의 방법 및 시스템은 가스 또는 영양소 확산 목적으로 살아있는 조직과 유사하게 모세혈관을 디자인 및 조직화하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 측면에서, 본 개시내용은 유체 동적 제어 목적으로 미크론 규모로 밸브 및 채널을 프린팅하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 일부 예에서, 채널은 말단 림프관과 유사한, 유체 제거 및 유체 동적 제어 목적으로 조작된 투과성을 갖는 다양한 크기의 단방향 말단 단부 채널일 수 있다.
본 개시내용의 방법 및 시스템은 다중 층의 3D 물체, 예컨대, 3D 생물학적 물질을 동시에 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 상기 3D 물체는 중합체 물질, 금속, 금속 합금, 복합 물질, 또는 그의 임의 조합으로 형성될 수 있다. 일부 예에서, 3D 물체는 일부 경우에서, 생물학적 물질(예컨대, 하나 이상의 세포 또는 세포 성분)을 비롯한, 중합체 물질로 형성된다. 일부 경우에서, 3D 물체는 에너지 빔(예컨대, 레이저)을 3D 투영(예컨대, 홀로그램)으로서 중합체 물질의 하나 이상의 전구체로 유도시켜 중합화 및/또는 가교 결합을 유도하여 3D 물체의 적어도 일부를 형성함으로써 형성될 수 있다. 이는 다중 층의 3D 물체를 동시에 형성하는 데 사용될 수 있다.
대안으로서, 3D 물체는 금속 또는 금속 합금, 예컨대, 예컨대, 금, 은, 백금, 텅스텐, 티타늄, 또는 그의 임의 조합으로 형성될 수 있다. 상기 경우에, 3D 물체는 달성될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 금속 또는 금속 합금을 포함하는 입자를 포함하는 분말상에 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 유도시켜 금속 입자를 소결하거나, 또는 용융시킴으로써 형성될 수 있다. 일부 경우에서, 3D 물체는 상기 에너지 빔을 3D 투영(예컨대, 홀로그램)으로서 분말상에 유도시켜 입자의 소결, 또는 용융을 촉진시킴으로써 형성될 수 있다. 이는 다중 층의 3D 물체를 동시에 형성하는 데 사용될 수 있다. 3D 물체는 유기 물질 예컨대, 그래핀으로 형성될 수 있다. 3D 물체는 무기 물질, 예컨대, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 경우에서, 3D 물체는 달성될 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 유기 및/또는 무기 물질의 입자를 포함하는 분말상에 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 유도시켜 유기 및/또는 무기 입자를 소결하거나, 또는 용융시킴으로써 형성될 수 있다. 일부 경우에서, 3D 물체는 상기 에너지 빔을 3D 투영(예컨대, 홀로그램)으로서 분말상에 유도시켜 유기 및/또는 무기 입자의 소결, 또는 용융을 촉진시킴으로써 형성될 수 있다.
에너지 빔 투과 깊이는 주어진 금속, 금속 합금, 무기 물질, 및/또는 유기 물질의 전자장과 빔 파장의 상호 작용에 의해 결정될 수있다. 유기 물질은 그래핀일 수 있다. 무기 물질은 실리콘일 수 있다. 이들 입자는 주어진 에너지 빔과의 상호작용을 더 크게 증가시키거나, 또는 상소작용을 더 작게 감소될 수 있도록 관능화되거나, 또는 조합될 수 있다.
일부 예에서, 적어도 하나의 에너지 빔은 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100 이상의 에너지 빔이다. 적어도 하나의 에너지 빔은 간섭광일 수 있거나, 또는 그를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 적어도 하나의 에너지 빔은 레이저 빔이다.
적어도 하나의 에너지 빔은 영상 또는 영상 세트로서 유도될 수 있다. 영상은 시간이 경과하여도 고정될 수 있거나, 또는 시간에 따라 변경될 수 있다. 적어도 하나의 에너지 빔은 비디오로서 유도될 수 있다.
컴퓨터 명령어는 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델 또는 표현에 상응할 수 있다. 컴퓨터 명령어는 컴퓨터 모델의 일부일 수 있다. 컴퓨터 모델은 3D 생물학적 물질에 상응하는 영상 세트를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 에너지 빔은 홀로그래픽 영상 또는 비디오로서 유도될 수 있다. 이를 통해 매질 중의 상이한 지점이 동시에 적어도 하나의 에너지 빔에 노출될 수 있고, 이로써, 예를 들어, 동시에 다중 층에서의 중합체 매트릭스의 형성(예컨대, 중합화에 의한 형성)이 유도될 수 있다. 일부 경우에서, 3D 영상 또는 비디오는 예컨대, 공간 광 변조기(SLM: spatial light modulator)를 이용하여 상이한 초점으로 매질로 투영될 수 있다.
컴퓨터 명령어는 3D 생물학적 물질의 형성 동안 시간의 함수로서, 예컨대, 예를 들어, 전원을 적어도 하나의 에너지 빔의 공급원에 적용시키는 것과 같이(예컨대, 레이저 온/오프) 적어도 하나의 에너지 빔의 하나 이상의 파라미터의 조정을 포함하고/거나, 지시할 수 있다. 상기와 같은 조정은 3D 생물학적 물질에 상응하는 영상 또는 비디오(예컨대, 홀로그래픽 영상 또는 비디오)에 따라 이루어질 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 컴퓨터 명령어는 3D 생물학적 물질이 형성되는 스테이지의 위치 조정을 포함하고/거나, 지시할 수 있다.
일부 경우에서, 3D 생물학적 물질 형성 동안 또는 그 이후, 적어도 복수의 세포의 부분집합의 적어도 일부는 분화되어 적어도 2가지 유형의 상이한 세포를 형성할 수 있다. 이는 예를 들어, 세포를 분화를 유도하는 제제에 노출시키거나, 또는 세포를 분화를 유도하는 조건에 가함으로써 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 세포에 대해 탈분화 또는 세포 휴지 유도가 이루어질 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 제1 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계를 포함하는, 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 방법을 제공한다. 제1 매질은 제1 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 에너지 빔은 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중 제1 매질로 유도될 수 있고, 이로써, 매질 챔버 중의 제1 매질 중 적어도 일부는 3D 생물학적 물질의 제1 부분을 형성할 수 있다. 이어서, 제2 매질이 매질 챔버에 제공될 수 있다. 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것일 수 있다. 이어서, 적어도 하나의 에너지 빔은 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중 제2 매질로 유도될 수 있고, 이로써, 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부는 3D 생물학적 물질의 적어도 제2 부분을 형성할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 측면에서, 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 시스템은 적어도 2가지 유형의 상이한 세포를 포함하는 복수의 세포 및 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버; 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원; 및 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하고, 여기서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 (i) 컴퓨터 메모리로부터 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하고; (ii) 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍된 것이다.
또 다른 측면에서, 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 시스템은 복수의 세포 및 복수의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버; 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원; 및 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하고, 여기서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 (i) 컴퓨터 메모리로부터 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하고; (ii) 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성하게 지시하고; (iii) 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중 제2 매질의 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 제2 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍된 것이고, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것이다.
본 개시내용의 또 다른 측면에서, 3차원(3D) 물체를 프린팅하는 방법은 적어도 하나의 에너지 빔을 하나 이상의 전구체를 포함하는 매질로 유도시켜 하나 이상의 전구체로부터 형성된 물질을 포함하는 3D 물체를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서, 적어도 하나의 에너지 빔은 3D 물체에 상응하는 3D 투영으로서 매질로 유도된다.
또 다른 측면에서, 3차원(3D) 생물학적 물질을 프린팅하는 방법은 적어도 하나의 에너지 빔을 1) 제1 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함하는 제1 매질, 및 2) 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하는 제2 매질로 유도시켜 3D 생물학적 물질의 제1 부분 및 3D 생물학적 물질의 제2 부분을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 원하는 조직의 신속 다광자 프린팅을 위한 시스템 (100)의 실시양태가 도시되어 있다. 여기서, 시스템 (100)은 솔리드-모델 컴퓨터-지원 설계(CAD: computer-aided design) 모델링 시스템 (112)에 의해 구동되는 레이저 프린팅 시스템 (110)을 포함한다. 본 실시양태에서, CAD 모델링 시스템 (112)은 원하는 조직 및 추가 파라미터의 CAD 모델에 기초하여 레이저 프린팅 시스템 (110)을 제어하는 컴퓨터(114)를 포함한다. 레이저 프린팅 시스템 (110)은 전체 부분 또는 특정 부분에 원하는 구조체에 매칭되도록 다광자 레이저 빔 (120)의 파형을 매질 챔버 (122)로 투사하는 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드 (118)와 소통하는 레이저 시스템 (116)을 포함한다. 다광자 조직 프린팅-헤드 (118)는 매질 챔버 (122)의 측면 및 축면에 다광자 레이저 빔 (120)을 전달하여 매질 챔버 (122) 내의 CAD 모델링된 조직의 2차원 및/또는 3차원 및 따라서, 홀로그래픽 투영을 제공하는 적어도 하나의 대물 렌즈 (124)를 포함한다. 대물 렌즈 (124)는 물 침지 대물 렌즈, 공기 대물 렌즈, 또는 오일 침지 대물 렌즈일 수 있다. 2차원 및 3차원 홀로그래픽 투영은 동시에 생성될 수 있고, 렌즈 제어에 의해 다른 부위로 투사될 수 있다. 매질 챔버 (122)는 세포, 중합형 물질, 및 배양 배지로 구성된 매질을 함유한다. 중합형 물질은 생물학적으로 화합성, 가용성, 및 일부 경우에서, 생물학적으로 불활성인 중합형 단량체 단위를 포함할 수 있다. 단량체 단위(또는 서브유닛)는 다광자 레이저 빔 (120)에 대한 반응으로 중합화하거나, 가교 결합하거나, 또는 반응함으로써 세포 함유 구조체, 예컨대, 생성하고자 하는 조직에 특이적인, 세포 매트릭스 및 기저막 구조체를 생성할 수 있다. 단량체 단위는 중합화하고/가교 결합하여 매트릭스를 형성할 수 있다. 일부 경우에서, 중합형 단량체 단위는 원하는 조직 매트릭스에 의존하여 다양한 비율(%)로 콜라겐과, 엘라스틴 및 히알루론산을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 다른 세포외 기질 성분의 혼합물을 포함할 수 있다.
세포 함유 구조체를 생성하는 데 사용되는 세포외 기질 성분의 비제한적인 예로는 프로테오글리칸, 예컨대, 헤파란 술페이트, 콘드로이틴 술페이트, 및 케라탄 술페이트, 비프로테오글리칸 다당류, 예컨대, 히알루론산, 콜라겐, 및 엘라스틴, 피브로넥틴, 라미닌, 니도겐, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 이들 세포외 기질 성분은 다광자 여기에 의해 직접 또는 하나 이상의 화학적 도핑제의 다광자 여기에 의해 유도된 가교 결합을 촉진시키기 위해 아크릴레이트, 디아크릴레이트, 메타크릴레이트, 신나모일, 쿠마린, 티민, 또는 다른 측기 또는 화학적 반응성 모이어티로 관능화될 수 있다. 일부 경우에서, 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체는 세포외 기질 성분과 함께 세포 함유 구조체를 생성하는 데 사용될 수 있다. 광중합형 마크로머의 비제한적인 예로는 폴리에틸렌 글리콜(PEG: polyethylene glycol) 아크릴레이트 유도체, PEG 메타크릴레이트 유도체, 및 폴리비닐 알콜(PVA: polyvinyl alcohol) 유도체를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 세포 함유 구조체를 생성하는 데 사용되는 콜라겐은 원섬유성 콜라겐, 예컨대, 타입 I, II, III, V, 및 XI 콜라겐, facit 콜라겐, 예컨대, 타입 IX, XII, 및 XIV 콜라겐, 단쇄 콜라겐, 예컨대, 타입 VIII 및 X 콜라겐, 기저막 콜라겐, 예컨대, 타입 IV 콜라겐, 타입 VI 콜라겐, 타입 VII 콜라겐, 타입 XIII 콜라겐, 또는 그의 임의 조합일 수 있다.
중합된 바이오겔의 최종 특성을 변경시키기 위해 단량체 단위의 특정 혼합물이 생성될 수 있다. 상기 베이스 프린팅 혼합물은 합성되고, 포유동물 조직에는 천연의 것이 아니고, 생물학적 물질과 합성 물질의 하이브리드를 포함하는 다른 중합형 단량체를 함유할 수 있다. 예시적인 혼합물은 약 50% w/v 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA: polyethylene glycol diacrylate) 첨가와 함께 약 0.4% w/v 콜라겐 메타크릴레이트를 포함할 수 있다. 중합화를 유도하는 광개시제는 자외선(UV), 적외선(IR), 또는 가시 광선 범위에서 반응성일 수 있다. 상기 두 광개시제의 예로는 조합시, 가시 광선(예컨대, 약 390 내지 700 나노미터의 파장)에의 노출에 대한 반응으로 중합화할 수 있는 에오신 Y(EY: Eosin Y) 및 트리에탄올아민(TEA)이 있다. 광개시제의 비제한적인 예로는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조인 유도체, 벤지케탈, 하이드록시알킬페논, 아세토페논 유도체, 트리메틸롤프로판 트리아크릴레이트(TPT: trimethylolpropane triacrylate), 아크릴로일 클로라이드, 벤조일 퍼옥시드, 캄포퀴논, 벤조페논, 티오크산톤, 및 2-하이드록시-1-[4-(하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로파논을 포함할 수 있다. 하이드록시알킬페논은 4-(2-하이드록시에틸에톡시)-페닐-(2-하이드록시-2-메틸 프로필) 케톤(Irgacure® 295), 1-히드록시사이클로헥실-1-페닐 케톤(Irgacure® 184) 및 2,2- 디메톡시-2-페닐아세토페논(Irgacure® 651)을 포함할 수 있다. 아세토페논 유도체는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA)을 포함할 수 있다. 티오크산톤은 이소프로필 티오크산톤을 포함할 수 있다.
생물학적 물질의 단량체 단위의 특정 혼합물은 중합된 바이오겔의 최종 특성을 변경시키기 위해 생성될 수 있고, 예시적인 혼합물은 약 1 mg/mL 타입 I 콜라겐-메타크릴레이트, 약 0.5 mg/mL 타입 III 콜라겐, 약 0.2 mg/mL 메타크릴레이트화된 히알루론산, 약 0.1% 에오신 Y, 및 약 0.1% 트리에탄올아민을 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 적어도 약 0.01%의 광개시제를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 10% 이상의 광개시제를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 0.1%의 광개시제를 포함한다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 0.01% 내지 약 0.05%, 약 0.01% 내지 약 0.1%, 약 0.01% 내지 약 0.2%, 약 0.01% 내지 약 0.3%, 약 0.01% 내지 약 0.4%, 약 0.01% 내지 약 0.5%, 약 0.01% 내지 약 0.6 %, 약 0.7% 내지 약 0.8%, 약 0.9% 내지 약 1%, 약 0.01% 내지 약 2%, 약 0.01% 내지 약 3%, 약 0.01%% 내지 약 4%, 약 0.01% 내지 약 5%, 약 0.01% 내지 약 6%, 약 0.01% 내지 약 7%, 약 0.01% 내지 약 8%, 약 0.01% 내지 약 9%, 또는 약 0.01% 내지 약 10%의 광개시제를 포함할 수 있다.
중합된 바이오겔은 약 0.05%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 0.1%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.2%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.3%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.4%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.6%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.7%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.8%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 0.9%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.1%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.2%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.3%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.4%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.6%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.7%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.8%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 1.9%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 2%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 2.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 3%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 3.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 4%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 4.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 5.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 6%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 6.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 7%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 7.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 8%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 8.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 9%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 9.5%의 광개시제를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 10%의 광개시제를 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 적어도 약 10%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 99% 이상의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 50%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 중합된 바이오겔은 약 10% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 20%, 약 10% 내지 약 25%, 약 10% 내지 약 30%, 약 10% 내지 약 35%, 약 10% 내지 약 40%, 약 10% 내지 약 45%, 약 10% 내지 약 50%, 약 10% 내지 약 55%, 약 10% 내지 약 60%, 약 10% 내지 약 65%, 약 10% 내지 약 70%, 약 10% 내지 약 75%, 약 10% 내지 약 80%, 약 10% 내지 약 85%, 약 10% 내지 약 90%, 약 10% 내지 약 95%, 또는 약 10% 내지 약 99%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다.
중합된 바이오겔은 약 10%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 15%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 20%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 25%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 30%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 35%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 40% 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 45%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 50%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 55%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 60%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 65%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 70%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 75%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 80%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 85%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 90%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 95%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 96%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 97%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 98%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다. 중합된 바이오겔은 약 99%의 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체를 포함할 수 있다.
2 광자 흡수는 비선형이고, 화학물질의 단일 광자 흡수 특성에 기초하여 정확하게 예측되거나, 또는 산출될 수 없다. 광반응성 화학물질은 단일 광자 흡수의 2배 또는 대략 2배인 키프, 2 광자 흡수를 가질 수 있거나, 또는 흡수 스펙트럼에서 약간 적색 이동될 수 있다. 그러므로, 예를 들어, EY 또는 TEA와 같은 중합화 반응의 촉매의 혼합물을 여기시킴으로써 단량체 물질을 중합화시키는 데 900 나노미터 내지 약 1400 나노미터 또는 약 900 나노미터 내지 약 1400 나노미터의 파장이 사용될 수 있다. 단일 파장 중합화는 모든 구조 요소를 생성하는 데 충분하지만, 프린팅 프로세스를 추가로 가속화시키기 위해서는 다중 파장이 동일한 프린팅 장치를 통해 및 동일한 프린팅 챔버로 동시에 사용될 수 있다.
상이한 흡수 밴드를 포함하는 촉매와 중합형 단량체 단위의 사전 믹스 또는 사전 반응은 상이한 파장에서의 프린팅이 매질 챔버 (122) 내에서 동시에 상이한 기재 기반 구조 요소를 동시에 형성할 수 있게 할 수 있다. 따라서, 특정 구조 요소는 레이저의 여기 파장을 특정 파장으로 조정함으로써 생성될 수 있고, 이어서, 다른 구조 요소는 또 다른 또는 동일한 레이저를, 한 물질 베이스의 중합화를 더 큰 효율로 개시시키는 별개의 광개시제와 상호작용할 수 있는 상이한 여기 파장으로 조정함으로써 기존 요소 주변으로 생성될 수 있다. 유사하게, 상이한 구조 요소에 대해 상이한 파장이 사용될 수 있고, 여기서, 일부 위치에서는 증가된 강성이 요구되고, 다른 위치에서는 연성 또는 탄성 구조체가 요구된다. 중합형 물질의 상이한 물리적 특성에 기인하여, 간단하게 전자적으로 레이저의 여기 파장을 조정함으로써, 상이한 레이저 간의 전환에 의해, 또는 상이한 두 파장을 동시에 투사함으로써 동일한 세포를 이용하여 동일한 프린팅 단계에서 잠재적으로 더 큰 강성, 연성 또는 탄성을 띠는 구조체가 생성될 수 있다.
도 2a-2c는 매질 챔버 (122) 내에서 원하는 조직을 생성하는 예시적인 단계를 도시한 것이다. 도 2a는 제1 세포 군, 중합형 물질 및 배양 배지로 구성된 매질 (126)을 함유하는 매질 챔버 (122)를 도시한 것이다. 본 실시양태에서, 다광자 레이저 빔 (120)의 펄스는 원하는 조직의 혈관 구조 및 미세혈관구조에 상응하는 CAD 모델에 따라 매질 (126)로 전달될 수 있다. 일부 경우에, 제1 세포 군은 내피 세포, 미세혈관 내피 세포, 혈관주위세포, 평활근 세포, 섬유아세포, 내피 전구체 세포, 줄기 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 혈관 및/또는 미세혈관 세포를 포함할 수 있다. 따라서, 매질 (126)의 일부는 중합화, 가교 결합 또는 반응하여 원하는 조직의 혈관구조 및 미세혈관구조를 나타내는 세포 함유 스캐폴딩 (128)을 형성할 수 있다. 본 실시양태에서, 이어서, 매질 (126)은 제1 포트 (130a), 제2 포트 (130b), 제3 포트 (130c), 제4 포트 (130d), 및 제5 포트 (130e)를 통해 배출되어 제1 세포 군 및 연관 매질을 제거할 수 있다. 일부 경우에, 매질 챔버 (122)는 적어도 하나의 포트를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 매질 챔버 (122)는 적어도 하나의 포트 내지 최대 100개의 포트인 범위로 복수의 포트를 포함할 수 있다. 매질 챔버 (122)는 적어도 2개의 포트를 포함할 수 있다. 매질 챔버 (122)는 적어도 3개의 포트를 포함할 수 있다. 매질 챔버 (122)는 적어도 4개의 포트를 포함할 수 있다. 매질 챔버 (122)는 적어도 5개의 포트를 포함할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 매질 챔버 (122)는 포트 (130)를 통해 제2 세포 군, 중합형 물질 및 배양 배지를 함유하는 매질 (126)로 충전될 수 있다. 상기 제2 세포 군을 사용하여 기존 세포 함유 스캐폴딩 (128) 주변에 조직 구조체를 생성할 수 있다. 일부 경우에, 세포 함유 스캐폴딩 (128)은 혈관 스캐폴드일 수 있다. 프린팅된 혈관 스캐폴딩은 내피 세포, 혈관 내피 세포, 혈관주위세포, 평활근 세포, 섬유아세포, 내피 전구체 세포, 줄기 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 내피 세포, 미세혈관 내피 세포, 혈관주위세포, 평활근 세포, 섬유아세포, 내피 전구체 세포, 림프 세포, T 세포, 예컨대, 헬퍼 T 세포 및 세포독성 T 세포, B 세포, 자연 살해(NK: natural killer) 세포, 망상 세포, 간세포, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 외분비성 분비 상피 세포, 호르몬 분비 세포, 상피 세포, 신경 세포, 지방세포, 신장 세포, 췌장 세포, 폐 세포, 세포외 기질 세포, 근육 세포, 혈액 세포, 면역 세포, 생식 세포, 간질 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 타액선 점액 세포, 유선 세포, 한선 세포, 예컨대, 에크린 한선 세포 및 아포크린 한선 세포, 피지선 세포, 타입 II 폐세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 외분비성 분비 상피 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 뇌하수체 전엽 세포, 뇌하수체 중엽 세포, 거대세포 신경분비 세포, 장관 세포, 기도 세포, 갑상선 세포, 부갑상선 세포, 부신 세포, 라이디히(Leydig) 세포, 난포막 내층 세포, 황체 세포, 방사구체 세포, 치밀반 세포, 극주위 세포, 메산지움 세포, 췌장 섬세포, 예컨대, 알파 세포, 베타 세포, 델타 세포, PP 세포, 및 엡실론 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 호르몬 분비 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 각질화 상피 세포, 예컨대, 각질형성세포, 기저 세포, 및 모간 세포, 중층 장벽 상피 세포, 예컨대, 중층 편평 상피의 표면 상피 세포, 상피의 기저 세포, 및 요로 상피 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 상피 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 감각 변환기 세포, 자율 뉴런 세포, 말초 뉴런 지지 세포, 중추 신경계 뉴런, 예컨대, 중간뉴런, 방추 뉴런, 피라미드 세포, 별모양 세포, 성상세포, 희소돌기아교세포, 상의 세포, 신경아교 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 신경 세포 또는 뉴런을 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 체벽 세포, 족세포, 메산지움 세포, 원위 세뇨관 세포, 근위 세뇨관 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 집합관 세포, 간질 신장 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 신장 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 타입 I 폐포세포, 폐포 세포, 모세혈관 내피 세포, 폐포 대식세포, 기관지 상피 세포, 기관지 평활근 세포, 기관 상피 세포, 소기도 상피 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 폐 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 상피 세포, 섬유아세포, 혈관주위세포, 연골세포, 골아세포, 골전구체 세포, 별모양 세포, 간 별모양 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 세포외 기질 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 골격근 세포, 심근세포, 푸르킨예 섬유(Purkinje fiber) 세포, 평활근 세포, 근상피 세포, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 근육 세포를 포함할 수 있다.
제1 세포 군 및/또는 제2 세포 군은 적혈구, 거핵구, 단핵구, 대식세포, 파골세포, 수지상 세포, 미세아교 세포, 호중구, 호산구, 호염기구, 비만 세포, 헬퍼 T 세포, 억제인자 T 세포, 세포독성 T 세포, 자연 살해 T 세포, B 세포, 자연 살해(NK) 세포, 망상적혈구, 또는 그의 임의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 혈액 세포 및/또는 면역 세포를 포함할 수 있다.
도 2c는 다광자 레이저 빔 (120)의 펄스를 남은 조직의 CAD 모델에 따라 매질 (126)로 전달하는 것을 도시한 것이다. 따라서, 매질 (126)의 추가 부분은 중합화, 가교 결합 또는 반응하여, 기존 혈관 스캐폴딩 (128)는 손상시키거나, 또는 그에 영향을 주지 않으면서, (더 이상은 보이지 않는) 기존 세포 함유 스캐폴딩 (128) 주변에 세포 함유 구조체 (132)를 형성할 수 있다. 매질 (126)을 배출하는 단계, 새 매질 (126)로 재충전하는 단계, 및 레이저 에너지를 전달하는 단계는 원하는 복합 조직을 생성하기 위해 임의 회차에 걸쳐 반복될 수 있다.
도 2d는 세포 함유 스캐폴딩 (128)이 매질 (126)을 함유하는 매질 챔버 (122)의 바닥을 따라 프린팅될 수 있는 것인 실시양태를 도시한 것이다. 따라서, 스캐폴딩 (128)은 독립적으로 서 있거나, 또는 자유 부동이 아닐 수 있다. 다채널 입력은 한 방향으로부터의 벌크 유동과 연관된 전단력, 벌크 유동이 작은 형상으로부터 원치않는 세포를 세척하지 못할 수 있는 바, 이에 따른 미세 구조체의 고르지 못한 세척, 및 조직 프린팅 챔버 내로 사이클링되는 바, 이에 따른 신규 세포 함유 매질의 고르지 못한 분포를 감소시킬 수 있다. 다중 입력은 상부, 바닥, 측면, 또는 3개 모두에서 동시에 나올 수 있다. 세포 함유 구조체는 상대적으로 쉽게 부서지고, 잠재적으로는 챔버를 통한 매질 교환과 연관된 유체력이 가해짐에 따라 파괴될 수 있기 때문에, 다중 입력이 특히 조직 프린팅에 바람직하다. 도 2d는 조직이 매질 챔버의 바닥판 위에서 프린팅될 수 있다는 것을 보여주는 것이다. 일부 실시양태에서, 세포 및 조직은 매질 챔버의 바닥으로부터 플러싱되어 프린팅될 수 있다. 추가로, 이러한 디자인을 통해 프린팅된 조직을 쉽게 운반할 수 있고, 레이저 프린팅 헤드(집속 대물렌즈) 아래로 배치할 수 있으며, 상기 디자인은 실내 공기에의 노출 없이 매질 교환 및 프린팅이 이루어질 수 있도록 허용하는 밀폐형 시스템이다. 실내 공기에의 노출은 감염체를 세포 배양 배지에 도입할 수 있고, 이는 유용한 조직 발생을 파괴 또는 완전히 파괴시킬 수 있는 바, 상기와 같은 디자인이 바람직할 수 있다.
레이저 프린팅 시스템
한 측면에서, 본 개시내용은 3차원(3D) 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 시스템을 제공한다. x, y, 및 z 차원이 본원에서 제공된 시스템에 의해 동시에 액세스될 수 있다. 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 시스템은 세포들을 포함하는 복수의 세포 및 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함할 수 있다. 복수의 세포는 적어도 한 유형의 세포를 포함할 수 있다. 복수의 세포는 적어도 2가지 유형의 상이한 세포를 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 및/또는 세포 함유 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 여기서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리로부터 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하도록; 및 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 복수의 세포 및 복수의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함하는, 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 추가 시스템을 제공한다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 추가로, 시스템은 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 (i) 컴퓨터 메모리로부터 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하도록; (ii) 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록; 및 (iii) 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중 제2 매질의 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 제2 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있고, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것이다.
하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 생성하도록, 및 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 사용하여 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 생성하도록 프로그래밍된다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로를 따라서 유도시켜 3D 생물학적 물질의 적어도 또 다른 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다.
시스템은 적어도 하나의 에너지원에 및/또는 적어도 하나의 광 패턴화 요소에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 컴퓨터 모델의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현은 홀로그래픽 포인트-클라우드 표현 또는 홀로그래픽 라인 기반 표현일 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 광 패턴화 요소를 사용하여 적어도 하나의 에너지원이 조사됨에 따라 홀로그래픽 영상을 재투영하도록 프로그래밍될 수 있다.
일부 경우에서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 영상으로 전환하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 홀로그래픽 방식으로 영상을 투영하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 홀로그램으로서 영상을 투영하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 부분 홀로그램으로서 영상을 투영하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 완전한 영상 세트의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 알고리즘 변환을 통해 일련의 홀로그래픽 영상으로 전환하도록 프로그래밍될 수 있다. 이어서, 상기 변환된 영상 세트는 시스템을 통해 순차적으로 광 패턴화 요소, 예컨대, 공간 광 변조기(SLM) 또는 디지털 미러 장치(DMD: digital mirror device)에 의해 투영될 수 있고, 이로써, 2D 및 또는 3D로 동시에 분포하는 투사광을 이용하여 프린팅 챔버 내에서 투영된 영상을 재생성할 수 있다. 익스팬딩된 또는 확장된 레이저 빔은 홀로그래픽 영상을 위한 투영 시스템으로서 작용하는 SLM 및/또는 DMD 상에 투사될 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 홀로그래픽 방식으로 영상을 투영하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 영상을 동시에 투영하도록 프로그래밍될 수 있거나, 또는 홀로그래픽 방식으로 더 큰 3D 구조체를 형성하도록 연속하여 비디오로서 플레이될 수 있다.
홀로그래피는 다차원(예컨대, 2D 및/또는 3D) 홀로그래픽 영상 또는 홀로그램을 투영하는 기술이다. 매질을 광중합화할 수 있는 레이저가 홀로그램으로서 투사될 때, 레이저는 투사된 레이저 광 경로를 따라서, 매질을 광중합화, 고형화, 가교 결합, 결합, 결합시킬 수 있고/거나, 매질의 물리적 특성을 변화시킬 수 있고; 따라서, 레이저는 3D 구조체의 프린팅을 허용할 수 있다. 홀로그래피는 홀로그래픽 영상을 생성하기 위해 광원, 예컨대, 레이저광 또는 간섭성 광원을 필요로 할 수 있다. 홀로그래픽 영상은 시간에 걸쳐 일정할 수 있거나, 또는 시간에 따라 변할 수 있다(예컨대, 홀로그래픽 비디오). 추가로, 홀로그래피는 레이저 광 경로를 개방하거나, 또는 이동시키는 셔터, 레이저를 별개의 경로로 분리하는 빔 분리기, 레이저 광 경로를 유도시키는 미러, 빔을 확장시키는 발산 렌즈, 및 추가의 패턴화 또는 광 유도 요소를 필요로 할 수 있다.
물체의 홀로그래픽 영상은 발산 렌즈로 레이저 빔을 확장시키고, 확장된 레이저 빔을 홀로그램 상으로 및/또는 적어도 하나의 패턴 형성 요소, 예컨대, 예를 들어, 공간 광 변조기 또는 SLM으로 유도시킴으로써 생성될 수 있다. 패턴 형성 요소는 홀로그래픽 영상을 포함하는 패턴을 레이저 빔 경로로 코딩할 수 있다. 패턴 형성 요소는 부분 홀로그램을 포함하는 패턴을 레이저 빔 경로로 코딩할 수 있다. 이어서, 패턴은 프린팅 물질(즉, 복수의 세포 및 중합체 전구체를 포함하는 매질)을 함유하는 매질 챔버로 유도되고, 상기 챔버에서 집속될 수 있고, 여기서, 이는 프린팅 물질 중(즉, 매질 중)에서 발견된 광 반응성 광개시제를 여기시킬 수 있다. 이어서, 광 반응성 광개시제의 여기는 중합체 기반 프린팅 물질의 광중합화를 유도할 수 있고, 이는 원하는 패턴으로(즉, 홀로그래픽 영상) 구조체를 형성한다. 일부 경우에서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 에너지원을 별개의 에너지 빔 경로를 따라 유도시킴으로써 홀로그래픽 영상을 투영하도록 프로그래밍될 수 있다.
일부 경우에서, 적어도 하나의 에너지원은 복수의 에너지원일 수 있다. 복수의 에너지원은 복수의 적어도 하나의 에너지 빔을 유도시킬 수 있다. 에너지원은 레이저일 수 있다. 일부 예에서, 레이저는 섬유 레이저일 수 있다. 예를 들어, 섬유 레이저는 예컨대, 예를 들어, 에르븀, 이테르븀, 네오디뮴, 디스프로슘, 프라세오디뮴, 툴륨 및/또는 홀뮴과 같은 희토류 원소로 도핑된 광섬유를 포함하는 활성 이득 매질을 갖는 레이저일 수 있다. 에너지원은 단파 레이저일 수 있다. 에너지원은 펨토초 펄스 레이저일 수 있다. 펨토초 펄스 레이저의 펄스 폭은 약 500 펨토초(fs), 250, 240, 230, 220, 210, 200, 150, 100, 50 fs, 40 fs, 30 fs, 20 fs, 10 fs, 9 fs, 8 fs, 7 fs, 6 fs, 5 fs, 4 fs, 3 fs, 2 fs, 1 fs, 또는 그 미만인 값 이하일 수 있다. 펨토초 펄스 레이저는 예를 들어, 티타늄:사파이어(Ti:Sa) 레이저일 수 있다. 적어도 하나의 에너지원은 간섭성 광원으로부터 유도될 수 있다.
간섭성 광원은 파장이 약 300 나노미터(nm) 내지 약 5 밀리미터(mm)인 광선을 제공할 수 있다. 간섭성 광원은 약 350 nm 내지 약 1,800 nm, 또는 약 1,800 nm 내지 약 5 mm인 파장을 포함할 수 있다. 간섭성 광원은 파장이 적어도 약 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm, 1 mm, 1.1 mm, 1.2, mm, 1.3 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.6 mm, 1.7 mm, 1.8 mm, 1.9 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm 이상인 광선을 제공할 수 있다.
컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로를 따라서 유도시켜 3D 생물학적 물질의 적어도 또 다른 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 x축, x 및 y 면, 또는 x, y, 및 z 면을 따라 진행될 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 x축을 따라 존재할 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 y축을 따라 존재할 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 z축을 따라 존재할 수 있다. 에너지 빔 경로는 동일한 축 상에서 하나 이상의 다른 빔과 함께 수렴될 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 x 및 y면에 존재할 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 x 및 z면에 존재할 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 y 및 z면에 존재할 수 있다. 하나 이상의 추가 에너지 빔 경로는 x, y, 및 z면에 존재할 수 있다.
시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시키기 위해 적어도 하나의 대물 렌즈를 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 대물 렌즈는 물 침지 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 대물 렌즈는 물 침지 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 대물 렌즈는 수침 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 대물 렌즈는 오일 침지 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 적어도 하나의 대물 렌즈는 색지움 대물 렌즈, 세미-아포크로매틱 대물 렌즈, 평면 대물 렌즈, 침지 대물 렌즈, 호이겐스(Huygens) 대물 렌즈, 램즈덴(Ramsden) 대물 렌즈, 페리플란(periplan) 대물 렌즈, 보정 대물 렌즈, 광시야 대물 렌즈, 초광시야(super-field) 대물 렌즈, 집광 대물 렌즈, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 집광 대물 렌즈의 비제한적인 예로는 아베(Abbe) 집광렌즈, 색지움 집광렌즈, 및 범용 집광렌즈를 포함할 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 생물학적 물질의 엣지의 영상을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 생물학적 물질의 외부 표면의 영상을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 생물학적 물질의 내부 표면의 영상을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 생물학적 물질의 내부의 영상을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다.
하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 생물학적 물질의 다른 조직과의 연결을 지시하도록 프로그래밍될 수 있고, 상기 연결은 컴퓨터 명령어에 따라 진행될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 프린팅된 물질을 이미 프린팅된 구조체와 연결, 병합, 결합, 또는 용접하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있고, 상기 연결은 컴퓨터 모델에 따른다. 일부 경우에서, 3D 생물학적 물질을 다른 조직과 연결하는 것은 화학적 가교 결합, 기계식 연결, 및/또는 점착식 결합을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 시스템은 복수의 세포 및 복수의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 여기서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델을 수신하도록; 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 생성하도록; 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록; 및 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중 제2 매질의 적어도 일부가 3D 생물학적 물질의 적어도 제2 부분을 형성하게 지시하록 프로그래밍될 수 있고, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것이다.
세포 구조체의 레이저 프린팅에서, 최소로 독성인 레이저 여기를 사용하여 신속하게 3차원 구조체를 생성하는 것이 세포 생존능을 유지시키는 데 중요하고, 기능성 조직 프린팅의 경우, 큰 포맷의 고해상도, 다세포 조직 생성에 필요하다. 다른 2 광자 프린팅 방법은 z 방향으로 현미경 또는 스테이지를 이동시켜 3차원 구조체를 생성하면서, 2차원 면(x, y)에서의 2 광자 여기의 래스터 스캐닝(예컨대, 선택적 레이저 소결)에 의존할 수 있다. 이러한 기술은 큰 포맷의 다세포 조직 프린팅을 하는 데는 엄청나게 느릴 수 있고, 이에 복합 구조체의 프린팅 동안 세포 생존능이 유지되지 못할 수도 있다. 타이밍된 조직 시트의 2차원 투영을 위해 중합화율이 높은 특정 하이드로겔 또한 사용될 수 있고, 이로써, 구조체의 한 슬라이스가 x, y, 또는 z 면에서 각 스텝으로 투영된다. 추가로, 시트를 나타내거나, 또는 직각 슬라이스를 포함하는 혼합 면 각 또한 사용될 수 있다. 하이드로겔을 신속하게 중합화시키는 경우, 상기 투영은 조직 프린팅과 양립할 수 있는 시간 스케일로 작동할 수 있는 반면, 레이저 소결 또는 래스터 스캐닝(예컨대, 한 층 한 층(layer-by-layer) 증착)은 복합 구조체를 구축하는 데 엄청나게 느릴 수 있다.
본 개시내용의 레이저 프린팅 시스템 (110)에는 세포 함유 구조체의 신속한 생성을 위해 측면 및 축면에서 3차원 또는 2차원 홀로그래픽 투영의 집속을 허용할 수 있는 대물 렌즈 (124)가 장착될 수 있다. 대물 렌즈 (124)는 물 침지 대물 렌즈, 공기 대물 렌즈, 또는 오일 침지 대물 렌즈일 수 있다. 일부 경우에서, 레이저 프린팅 시스템 (110)은 다중 레이저 라인을 갖는 레이저 시스템 (116)을 포함할 수 있고, 세포 함유 매질로의 홀로그래픽 투영을 통한 포토리소그래피를 위해 영상을 3차원 홀로그래픽 투영할 수 있다.
도 3a는 제1 다광자 레이저원 (140a)을 갖는 레이저 시스템 (116)의 실시양태를 도시한 것이다. 여기서, 레이저 라인 1인 다광자 레이저 빔은 비디오 속도로 또는 영상 투영을 위해 더 빠른 새로 고침 속도로 공간 광 변조기(SLM)에 의해 반사되어 투영된 3차원 구조체를 신속하게 변화시킬 수 있다.
일부 경우에서, 공간 광 변조기(SLM)는 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 본원에 제공된 방법은 컴퓨터 메모리에서 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델을 수신하는 단계, 및 컴퓨터 모델을 추가로 프로세싱하여 컴퓨터 모델을 층으로 "슬라이스화"하여 각 층의 2차원(2D: two-dimensional) 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 컴퓨터 모델은 컴퓨터-지원 설계(CAD) 모델일 수 있다. 본원에 개시된 시스템은, 개별적으로 또는 일괄적으로, 경계 윤곽을 결정짓고, 프린팅하고자 하는 3D 생물학적 물질의 시퀀스를 채우는 "슬라이스형" 컴퓨터 모델에 기초하여 레이저 스캔 경로를 산출하도록 프로그래밍될 수 있는 적어도 하나의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 3D 프린팅은 본원에 기술된 하나 이상의 중합체 전구체와 함께 사용될 수 있다. SLM은 본원에 기술된 2개 이상의 중합체 전구체와 함께 사용될 수 있다.
공간 광 변조기(SLM)는 고정된 공간(즉, 픽셀) 패턴에 따라 시공간적으로 광파의 진폭, 위상, 편광, 전파 방향, 강도 또는 그의 임의 조합을 변조시킬 수 있는 전기적으로 프로그래밍가능한 장치이다. SLM은 반투명, 예컨대, 액정 디스플레이(LCD: liquid crystal display) 마이크로디스플레이에 기반할 수 있다. SLM은 반사형, 예컨대, 실리콘 액정(LCOS: liquid crystal on silicon) 마이크로디스플레이에 기반할 수 있다. SLM은 마이크로채널 공간 광 변조기(MSLM: microchannel spatial light modulator), 병렬 정렬 네마틱 액정 공간 광 변조기(PAL-SLM: parallel-aligned nematic liquid crystal spatial light modulator), 프로그래밍가능 위상 변조기(PPM: programmable phase modulator), 위상 공간 광 변조기(LCOS-SLM), 또는 그의 임의 조합에 기반할 수 있다. LCOS-SLM은 실리콘 기재 위에 배열된 액정 층을 포함하는 칩을 포함할 수 있다. 반도체 기술을 사용하여 칩의 실리콘 기재에 회로를 구축할 수 있다. LCOS-SLM 칩의 최상층에는 그의 전압 전위를 독립적으로 제어할 수 있는 알루미늄 전극을 함유할 수 있다. 유리 기재는 액정 물질로 채워진, 일정한 간격을 유지하면서 실리콘 기재 위에 배치될 수 있다. 액정 분자는 실리콘 및 유리 기재에 제공되는 정렬 제어 기술에 의해 병렬로 정렬될 수있다. 이 액정 층을 가로지르는 전기장은 픽셀 단위로 제어될 수 있다. 광선의 위상은 전기장을 제어함으로써 변조될 수 있다; 전기장의 변화는 액정 분자를 그에 따라 기울어지도록 할 수 있다. 액정 분자가 기울어지면, 광학 경로 길이를 추가로 변화시키면서, 액정 굴절률은 변화할 수 있고, 이로써, 위상차를 유발할 수 있다.
SLM은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 실리콘 액정(LCOS)-SLM은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 액정 SLM은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. SLM은 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 투영하는 데 사용될 수 있다. 본원에 개시된 방법은 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 홀로그래픽 영상으로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. SLM은 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 홀로그래픽 영상을 투영하는 데 사용될 수 있다. SLM은 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 광선의 위상을 변조시키는 데 사용될 수 있다. SLM은 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 홀로그래픽 영상의 광선의 위상을 변조시키는 데 사용될 수 있다.
3차원 다광자 여기의 투영 또한 이중 디지털 마이크미러 장치(DMD) 시스템을 단독으로, 또는 공간 광 변조기(SLM)와 함께 조합하여 사용함으로써 달성될 수 있다. 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 한 쌍의 DMD가 한 쌍의 SLM과 함께 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 하나의 DMD가 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 한 쌍의 SLM이 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 한 쌍의 DMD가 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM이 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 DMD가 본원에 기술된 방법을 사용하여 3D 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. DMD는 빠르고, 효율적이며, 신뢰할 수 있는 공간 광 변조를 허용하는, 전기 입력, 광학 출력의 마이크로-전기-기계식 시스템(MEMS: micro-electrical-mechanical system)이다. DMD는 직사각형 어레이로 배열된 복수의 마이크로스코픽 미러(보통 약 수십만 또는 수백만 개)르 포함할 수 있다. DMD 중의 각 마이크로스코픽 미러는 디스플레이하고자 하는 영상의 픽셀에 상응할 수 있다. "온" 또는 "오프" 상태로 예컨대, 약 10-12°회전될 수 있다. "온" 상태에서, 프로젝터 전구에서 나온 광선은 마이크로스코픽 미러에 반사되고, 이로써, 그에 상응하는 픽셀은 스크린 상에서 밝게 보일 수 있다. "오프" 상태에서, 광선은 다른 곳으로(보통 히트싱크) 유도될 수 있고, 이로써, 마이크로스코픽 미러의 상응하는 픽셀은 어둡게 보일 수 있다. DMD 중의 마이크로스코픽 미러는 반사율이 높은 알루미늄으로 구성될 수 있고, 길이는 16 마이크로미터(㎛)이다. 각 마이크로스코픽 미러는 회합된 반도체 메모리 셀 상부에 구축되고, 요크에 장착될 수 있고, 최종적으로 요크는 비틀림 힌지를 통해 한 쌍의 지지 포스트에 연결된다. 각 마이크로스코픽 미러의 이동 정도는 각각의 기본 반도체 메모리 셀에 "1" 또는 "0"을 로드함으로써 제어될 수 있다. 이어서, 전압이 인가되고, 이는 각 마이크로스코픽 미러가 정전기 인력을 통해 비틀림 힌지 주위로 정전기적으로 연관된 +/- 정도의 상태로 편향되도록 할 수 있다.
도 3a-3c를 참조하면, 임의적 빔 익스팬더, 이어서, 고정 액시콘 또는 가변 음향 구배(TAG: tunable acoustic gradient) 렌즈인 베셀(Bessel) 빔 생성 렌즈 첨가는 레이저의 특성을 변경시켜 특히 혼탁 용액에서 더 높은 해상도 및 더 큰 조직 프린팅 깊이를 달성하기 위해 추가될 수 있다. 임의적 빔 익스팬더 및/또는 베셀 빔 생성 렌즈를 포함할 수 있는 레이저 라인은 빠른 전환 미러를 이용하여 조직 프린팅과 연관된 특정 구조체의 형성에서 물질상의 이점을 갖는 별개의 투영 시스템으로 유도된다. 일부 경우에서, SLM 시스템과 함께 고해상도 DMD 미러가 2개의 SLM 시스템 사용시 가능한 것보다 더 높은 축 방향 해상도를 달성할 수 있다. 마지막으로, 레이저 라인은 미러와 함께 단일 DMD 또는 SLM 시스템과 사용될 수 있고, 이로써, 어느 축면에서나 2차원 영상을 스캔 없이 투영할 수 있다. 3D 투영 패턴 또한 스캔 미러에 의해 더 큰 시야에 걸쳐 래스터 스캐닝될 수 있고, 여기서, 레이저 방출 패널, 파장 및 또는 전력은 래스터 스캔 속도에 매칭되도록 제어되며, 이로써, 응집성 복합 구조체가 증착될 수 있다. 1 초과의 레이저 라인을 함유하는 시스템 내에서, 형태는 이중 SLM, 이중 DMD, 단일 SLM, 단일 DMD 또는 단일 평면 스캐닝의 임의 조합일 수 있다.
일부 경우에서, 하나 이상의 광 경로, 예컨대, 도 3a-3c에 제시된 경로는 독립적으로 또는 함께 협력하여 사용될 수 있다. 광학 경로 내의 광선 또는 에너지 빔을 집속하고, 분포시키는 렌즈, 격자, 및 미러는 중요한 요소를 통해 광선을 분포시키거나, 또는 도 3a에 제시된 바와 같이, 격자인 경우, 유입 광을 변조시키는 데 필요한 1차 파면 성형 요소 사이에 배치될 수 있다. 적어도 한 격자 또는 미러는 입력 레이저 광선을 집속, 분포, 또는 클리핑하기 위한 목적으로 파면 성형 요소 "F" 사이에(즉, SLM, DMD, 및/또는 TAG 렌즈 사이에) 배치될 수 있다. 광학 파면 성형 장치 F는 SLM, LCOS-SLM, DMD, TAG 렌즈, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다.
일부 경우에서, DMD는 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. DMD는 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 투영하는 데 사용될 수 있다. 본원에 개시된 방법은 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 홀로그래픽 영상으로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. DMD는 3D 생물학적 물질의 컴퓨터 모델의 홀로그래픽 영상을 투영하는 데 사용될 수 있다. DMD는 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
일부 경우에서, 적어도 하나의 SLM 및 적어도 하나의 DMD 조합이 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위해 본원에 개시된 방법에서 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합이 직렬로 배열될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합이 병렬로 배열될 수 있다. 임의 개수의 SLM 및 임의 개수의 SLM DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위해 사용될 때 직렬로 배열될 수 있다. 임의 개수의 SLM 및 임의 개수의 SLM DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하기 위해 사용될 때 병렬로 배열될 수 있다.
적어도 2개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 3개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 4개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 5개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 10개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 20개의 SLM 및 적어도 하나의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
적어도 하나의 SLM 및 적어도 2개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 3개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 4개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 5개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 10개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 SLM 및 적어도 20개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
적어도 2개의 SLM 및 적어도 2개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 3개의 SLM 및 적어도 3개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 4개의 SLM 및 적어도 4개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 5개의 SLM 및 적어도 5개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 10개의 SLM 및 적어도 10개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 20개의 SLM 및 적어도 20개의 DMD의 조합은 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
액정 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 복수의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 복수의 SLM이 직렬로 배열될 수 있다. 복수의 SLM이 병렬로 배열될 수 있다. 적어도 하나 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 2개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 3개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 4개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 5개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 10개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 20개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 50개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 20개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 15개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 10개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 5개 이상의 SLM이 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
복수의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 복수의 DMD는 직렬로 배열될 수 있다. 복수의 DMD는 병렬로 배열될 수 있다. 적어도 하나 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 2개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 3개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 4개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 5개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 10개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 20개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 50개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 20개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 15개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 10개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다. 적어도 하나 내지 약 5개 이상의 DMD가 3D 생물학적 물질을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
상기 디자인에서, SLM은 액정 SLM을 지칭할 수 있고, DMD의 기능은 SLM과 유사할 수 있다. 이들 레이저는 다중 레이저 라인의 위치 및 프린팅 타이밍을 어드레스하는 하나 이상의 컴퓨터 입력에 의해 제어될 수 있다. 임의적 직렬 여기 경로를 포함하는, 광 경로에 대한 전체 디자인의 예가 도 3a에 도시되어 있고, 요소에 대한 추가 설명은 하기 표 1에 제공되어 있다. 두 광자 여기광의 패킷 사이의 펄스 폭이 넓기 때문에, 비간섭성일 수 있는, 상기 레이저 라인의 임의 조합은 프린팅 및 동시 영상화를 동반한 프린팅을 위해 동시에 사용될 수 있다. 이로써, 빔 사이의 간섭은 실질적으로 낮아질 수 있고, 그 결과, 빔은 교차하지 않게 된다. 그러므로, 도 3b-3c에 도시된 바와 같이, 최소로 간섭되거나, 또는 비간섭성인 다중 레이저 라인을 사용하는 것이 가능하며, 요소에 대한 추가 설명은 또한 표 1에 제공되어 있다. 이러한 형태에서 그룹 지연 분산 광학 요소는 2 광자 패킷을 분산시키는 데 사용될 수 있고, 하나가 특정 형태로 사용되는 경우, 최고 전력 출력은 광섬유 케이블을 손상시키지 않는다. 추가로, 그룹 지연 분산은 광자를 더 짧은 펄스 폭으로 농축시킬 수 있고, 그 결과, 더 큰 에너지가 초점에 또는 투영된 영상에 부여되며, 이로써, 더 신속하게 프린팅할 수 있다.
2 광자 여기 펄스는 이들 광자 패킷 사이의 타이밍이 펄스 폭보다 3 내지 6 자릿수만큼 더 긴 상태에서, 단일 스폿에서 여기가 (레이저 조정에 의존하는) 길이가 펨토초 내지 나노초 범위인 펄스로 발생하도록 시간적으로 제어될 수 있다. 이를 통해 레이저 여기의 교차 경로 간섭은 최소화될 수 있고, 이로써, 직렬로 된 다중 레이저 라인을 사용할 때, 동시 프린팅을 위해 다중 레이저를 사용할 수 있게 된다. 구조체 증착을 목적으로 한 3개의 상이한 이론상의 파장에서의 다중 레이저 투영의 예가 도 3b에 제시되어 있다. 다광자 레이저는 조정가능하고; 따라서, 이로써, 파장 범위는 선택될 수 있다. 이는 상이한 파장에 반응하는, 중합화를 위한 상이한 광개시제가 남은 물질의 원치않는 중합화를 막기 위해 조합하여 또는 연속하여 사용될 수 있는 조직 프린팅에서 도움이 된다. 그러므로, 이들 레이저 라인은 각각 상이한 다광자 출력 파장으로 조정될 수 있고, 상이한 최고 전력 출력을 가질 수 있고, 조직 구조체를 포함하는 CAD 영상의 상이한 요소를 투영할 수 있다.
표 1. 도 3a-3c에 대한 요소 설명
요소 라벨 설명
140a-c 레이저원. 제1 레이저원 (140a), 제2 레이저원 (140b), 및 제3 레이저원 (140c)는 주어진 전력(예컨대, 1 내지 50 와트 및 640 내지 1,500 nm 파장 출력)의 조정가능한 다광자(펄스된 펨토초) 레이저일 수 있다. 펨토초 레이저원은 컴퓨터 소프트웨어 상호작용에 의해 조정가능할 수 있고, 따라서, 프린팅 프로세스 이전 또는 그 동안에 다양한 파장으로 설정되어 상이한 여기 파장을 생성할 수 있다. 임의적으로, 본원에 개시된 시스템은 펌프 레이저 시스템을 가질 수 있다.
A 미러. 반사율을 개선시키는 적외선(IR) 특이 코팅이 있거나, 또는 없는 미러. IR 특이 코팅의 예로는 보호된 금 또는 보호된 은 기반 코팅을 포함할 수 있다. 도 3a에 제시된 바와 같이, 격자 및/또는 미러가 요소 "F" 사이에(즉, DMD, SLM, 또는 TAG 렌즈 사이에) 추가될 수 있다.
B 빔 익스팬더. DMD 또는 SLM 시스템에 의한 투영 이전에 레이저 펄스 영역을 확장시키는 임의적 빔 익스팬더.
C 액시콘 또는 TAG 렌즈. 일부 조직 프린팅 적용에서, 베셀 빔 사용을 사용하면, 하이드로겔, 배지, 또는 이미 프린팅된 구조체에서 더 깊은 깊이에서 개선된 또는 균등한 전력 출력을 얻을 수 있다. 베셀 빔을 생성하기 위해, 고정 베셀 빔 또는 가변 음향 구배 렌즈(TAG)를 생성하는 액시콘은 조정가능한 베셀 빔을 생성할 수 있고, 전기 신호 입력을 변경시킴으로써 변경될 수 있다. TAG 렌즈가 사용되는 경우, 입력 신호는 통합 컴퓨터 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
D 분산 보정 장치. 본 디자인에서 분산 보정 장치의 목적은 방출된 2 광자 패킷을 농축시켜 최고 전력 출력이 여기점에서 더 높게 만드는 것이다. 이를 통해 특정 파장에서의 개선된 최고 전력 출력의 결과로서 중합화는 개선된다.
E 빔 덤프. 빔 덤프를 통해 표유 레이저광을 집광할 수 있다.
F DMD , SLM , 또는 TAG 렌즈. 본 예시적인 디자인에서, DMD 또는 SLM은 단량체를 세포를 함유하는 구조체 또는 네트로 중합화하는 데 사용될 수 있는 특정 패턴의 광선과 함께 x, y 투명면을 생성하는 데 사용될 수 있다. 제2 DMD 또는 SLM을 추가하면, 다광자 여기의 프린팅 관로의 3차원 홀로그래픽 투영을 위해 z 또는 축 방향으로 x, y 면을 투영할 수 있다. 이로써, 구조체를 3차원으로 중합화할 수 있고, 여기서, x, y, 및 z 차원 형상은 모두 동시에 증착된다. DMD 또는 SLM은 각각 컴퓨터 입력에 의해 제어될 수 있고, 특정 CAD 영상 또는 CAD 영상의 일부를 투영하도록 유도될 수 있다. SLM 또는 DMD를 직렬로 배열함으로써 다중 레이저 여기원의 경우, 상이한 광 파장에서 동시에 영상을 투영할 수 있거나(예컨대, 도 3b에 도시), 또는 다중 반복 패턴 투영의 경우, SLM 또는 DMD는 컴퓨터 입력을 전환시킬 필요 없이, 동일한 조직의 상이한 측면을 투영하는 데 사용될 수 있고, 대신, 미러는 특정 광 경로를 재유도시키거나, 또는 "오프" 또는 "온"으로 전원을 끄거나, 또는 켜고, 레이저 광 경로 1, 2, 3, 또는 4와 연관된 주어진 고정 구조체를 생성하는 데 사용될 수 있다. 베셀 빔이 제거된 경우(요소 C), 이는 특정의 주어진 구조체를 프린팅하는 데 상이한 축 정확성을 허용할 수 있다. 그러므로, 조직 구조체의 특정 요소는 상이한 광 경로에 의해 더욱 잘 프린팅될 수 있다. 주어진 일련의 프린팅 단계에서 다음 조직 구조체의 투영을 위해 SLM 또는 DMD 시리즈를 재프로그래밍하면서, 레이저 광 경로 사이의 신속한 전환을 통해 계속해서 프린팅하고, 중합화할 수 있다. 일부 경우에서, 요소 "F"는 TAG 렌즈를 나타낼 수 있다. 요소 "F"로서 사용되는 바, TAG 렌즈는 광선을 조작할 수 있다. 요소 "F"로서 사용되는 바, TAG 렌즈는 홀로그래픽 방식으로 광선을 분포시킬 수 있다.
G 이동식 미러. 반사율을 개선시키는 IR 특이 코팅이 있거나, 또는 없는 미러. IR 특이 코팅의 예로는 보호된 금 또는 보호된 은 기반 코팅을 포함할 수 있다. 이들 미러는 이동식일 수 있고, 원하는 대로 프린팅 시스템을 통해 레이저 광 경로를 재유도시키기 위해 '온' 또는 '오프' 상태로 조정될 수 있다. 미러 배치 제어는 컴퓨터 소프트웨어에 의해 지시될 수 있다.
H 빔 결합기. 상이한 파장에서의 동시 프린팅을 위해 다중 광 경로가 재조합될 수 있도록 하는 빔 결합기. 도 3b에서, 이들은 또한 동일한 파장이 이동식 미러 (G)의 타이밍된 온/오프 상태에 따라 프린팅될 수 있도록 허용하는 상기 미러 G일 수 있다.
I 광학부 하우징으로의 광 경로
J 밴드 패스 필터. 임의적 밴드 패스 필터의 목적은 물질 중합화에서 사용하고자 하는 특정 파장을 선택하도록 하는 것일 수 있다. 다광자 여기는 수십 나노미터에 걸쳐 있을 수 있는 방출 범위를 가질 수 있고, 이는 잠재적으로 흡수 중복을 유도할 수 있으며, 따라서, 다르게는 별개의 흡수 피크를 갖는 물질을 중합화시킬 수 있다. 밴드 패스 필터를 이용하여 특정 파장을 선택함으로써, 중합화를 유도하는 파장은, 반응성이 다른 상이한 두 단량체가 동일한 포뮬레이션에서 사용될 때, 비바람직한 교차 효과를 막기 위해 미세 조정될 수 있다.
K 스캔 헤드. x, y면에서 임의적 레이저광 스캐닝 또는 소결을 나타내는 2개의 미러. 이들 미러는 주어진 주파수, 예를 들어, 20 kHz에서 진동할 수 있고, x 방향의 미러는 다음 미러로 반사되고, 이는 y 방향으로 스캐닝될 수 있다. 이러한 스캐닝은 중합화 프로세스 이전에, 그 후에, 및 그 동안 조직 또는 중합된 단위를 영상화하는 데 사용될 수 있는 광선 면을 생성할 수 있다. 이는 콜라겐 및 다수의 다른 규칙적인 구조체가, 단량체 상태일 때에는 그렇지 않지만, 중합된 상태일 때에는 2차 고조파 발생으로 명명되는 비선형 프로세스를 통해 광선을 방출할 수 있는 바, 가능한 것이다. 그러므로, 생체물질을 중합화시키지 않으면서, 2차 고조파 발생 및 영상화를 허용할 수 있는 파장으로 조정된 추가의 여기원을 사용하는 것이 프린팅 프로세스를 모니터링하는 데 유용할 수 있다.
L 롱 패스 미러: 롱 패스 미러는 (레이저 광 경로 4 사용을 필요로 하는) 영상화 모드에 있는 동안 샘플로부터의 방출을 일련의 광전자 증배관(PMT: photomultiplier tube) M 검출기, 및 개인용 컴퓨터(PC: personal computer)(즉, 컴퓨터 프로세서) 및 적절한 영상화 프로세싱 소프트웨어를 통한 영상 수집을 위해 특정 방출 파장이 PMT로 반사될 수 있도록 허용하는 다양한 파장의 롱 패스 또는 밴드 패스 미러로 반사시키면서, 광 경로 번호 4로부터의 다광자 여기가 통과할 수 있게 허용할 수 있다.
M 광전자 증배관. PMT는 현미경법에서 영상을 수집하는 데 사용될 수 있다.
N 대물렌즈. 상기 대물렌즈는 다광자 여기를 농축시켜 단량체의 중합화가 투영된 영상에 매칭되게 이루어질 수 있도록 하는 목적으로 작용할 수 있다.
O 이동식 롱 패스 미러. 영상화가 광 경로 #4를 이용하여 수행될 수 있는 경우, 미러 O는 레이저 광 경로 4가 대물렌즈 (N)로 유입될 수 있도록 허용하는 소프트웨어 제어장치를 통해 이동될 수 있다. 일부 구현에서, O 대신 롱 또는 숏 패스 미러 또는 빔 결합기가 사용될 수 있도록 허용하면서, 광 경로 4는 레이저 광 경로 1, 2, 또는 3으로부터 별개의 파장으로 조정될 수 있다.
1 레이저 광 경로 1은 SLM/DMD 시리즈 또는 개별 SLM 또는 DMD로의 직접적인 투과를 위해 빔 확장 또는 빔 확장 플러스 베셀 빔 렌즈 조합을 우회하도록 하는 데 사용될 수 있다. 레이저 라인 1은 또한 레이저 라인 5로 재유도될 수 있고, 이는 단일의 두 광자 핀포인트 여기를 생성하며, 이는 광학부 하우징 정렬에서 또는 영상화 목적으로 샘플을 래스터 스캐닝하는 데에서 사용될 수 있다.
2&5 레이저 광 경로 2는 임의적 빔 익스팬더 및 임의적 베셀 빔 생성 렌즈(액시콘 또는 TAG 렌즈), 이어서, 단일 SLM 또는 DMD를 통해 전달될 수 있고, 이는 또한 레이저 광 경로 5로 재유도될 수 있다.
3&4 레이저 광 경로 3 및 4는 임의적 빔 익스팬더 및 임의적 베셀 빔 생성 렌즈(액시콘 또는 TAG 렌즈), 이어서, 직렬로 된 SLM 또는 DMD의 조합을 통과할 수 있다. 별개의 두 레이저 라인을 통해 이중 SLM, 이중 DMD 또는 상기 둘의 조합이 구성될 수 있고, 이는 상이한 크기 및 유형의 구조체를 프린팅하는 데 있어 유연성을 증가시킬 수 있다. 추가로, 레이저 라인은, 다르게는 단일 DMD 또는 SLM 시리즈로는 달성될 수 없는 복합 구조체가 거의 동시에 프린팅될 수 있도록 하기 위해 각 시리즈에 의해 투영된 상이한 두 구조체 사이에서 플리커(flicker)될 수 있다. 언제든 이들 레이저 라인은 디폴트 오프 상태로 작용하는 빔 덤프 E로 재유도될 수 있다.
도 4a-4b는 액시콘 또는 가변 음향 구배(TAG) 렌즈에 앞서 임의적 빔 익스팬더의 배치를 보여주는 것이다. 이를 통해서 초점 충실도 손실 없이 프린팅하는 동안 조직 및 혼탁 매질에서 투과 깊이 증가를 목적으로 베셀 빔을 생성할 수 있다. 이러한 특징은 전력 손실 없이 혼탁 매질을 통한 이미 형성된 조직을 통한 프린팅 깊이를 개선시킬 수 있다.
렌즈는 이중 SLM 또는 DMD 조합 후 레이저를 확장시키거나, 또는 미리 초점을 맞추는 데 사용될 수 있다. 추가로, 프린팅 부위에서의 레이저 전력 출력을 제어하기 위해 컴퓨터 제어식 레이저 감쇠 장치 또는 여과 휠이 집속 광학부 앞에 부가될 수 있다.
도 4c는 레이저 빔을 빔 집광기(B) 상에 투사하는 레이저원 (A)을 도시한 것이다. 빔 집광기(B)에서 출사하고 나면, 레이저 빔은 콜라겐 네트가 주어진 Z 스텝으로 프린팅된 세포 및 생성된 구조체 주변을 프린팅하도록 하기 위해 광학 TAG 또는 액시콘 (C)으로 및 추가로 이동식, 단일 SLM 또는 DMD (D)로 유도될 수 있다. 레이저 빔은 SLM 또는 DMD (D)로부터 미러 (G)로 유도된 후, 프린팅 헤드 광학부 (H) 상으로 반사될 수 있다. 이러한 예에서, 2차원(2D) 투영은 투영의 프레임 속도와 매칭되는 z-모터 스텝식 이동을 하는 단일 SLM으로 생성될 수 있다. z-스택 슬라이스의 2차원 비디오 투영은, 각 스텝이 톱다운으로부터 2D 영상을 프린팅하는 상이한 영상을 투영하도록 z-이동에 맞게 타이밍된 단일 DMD 또는 단일 SLM으로 달성될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 복합 구조체는 다광자 또는 대안적 레이저 여기원을 이용하여 2D 투영 및 프린팅된 측면, 바텀업, 또는 상이한 분절로부터 투영될 수 있다. CAD 영상 (F)의 소스는 컴퓨터(E)로부터 시스템으로 지시될 수 있다. 시스템은 Z-투영의 스텝 속도(밀리초 내지 초) 및 스텝 크기와 매칭될 수 있는 모터식 스테이지 (I)를 포함할 수 있다. 스텝 크기는 대략 미크론 내지 나노미터일 수 있다. 도 4c에서, 1, 2, 및 3은 평면 투영 빌드 스텝의 예를 도시한 것이다.
도 12는 3차원 프린팅 시스템의 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다. 도 12에 제시된 광학 컴포넌트 및 광학 경로는 시간 집속을 사용할 수 없는 3차원 프린팅 시스템을 제공한다. 3차원 프린팅 시스템은 에너지원 (1000)을 포함할 수 있다. 에너지원 (1000)은 간섭성 광원일 수 있다. 에너지원 (1000)은 레이저원일 수 있다. 에너지원 (1000)은 펨토초 펄스 레이저 광원일 수 있다. 에너지원 (1000)은 제1 레이저원 (140a), 제2 레이저원 (140b), 또는 제3 레이저원 (140c)일 수 있다. 에너지원 (1000)은 다광자 레이저 빔 (120)일 수 있다. 에너지원 (1000)은 2 광자 레이저 빔일 수 있다. 에너지원 (1000)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 에너지원 (1000)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 조정될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 프린팅 프로세스 이전에 또는 그 동안에 에너지원 (1000)의 에너지 파장을 제어 및/또는 세팅할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 에너지원 (1000)의 파장을 세팅함으로써 상이한 여기 파장을 생성할 수 있다.
에너지원 (1000)은 펄스될 수 있다. 에너지원 (1000)은 약 500 킬로헤르츠 (kHz)의 속도로 펄스될 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 20 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 40 마이크로 줄(μJ) 내지 80 μJ 의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 120 마이크로 줄(μJ) 내지 160 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 10 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 20 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 30 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 40 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 50 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 60 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 70 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 80 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 90 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 100 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 110 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 120 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 130 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 140 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 150 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 160 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 170 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 180 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 190 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 200 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 20,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 100,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,000,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 예컨대, 약 적어도 300 nm 내지 약 5 mm 이상의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 광선 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 600 내지 약 1,500 nm 이상의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 350 nm 내지 약 1,800 nm 이상의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1,800 nm 내지 약 5 mm 이상의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 300 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 400 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 600 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 700 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 800 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 900 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,000 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,100 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,200 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,300 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,400 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,500 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,600 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,700 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,800 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 1,900 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 2,000 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 3,000 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 4,000 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1000)(예컨대, 레이저)은 약 5,000 nm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다.
도 12에 제시된 바와 같이, 에너지원 (1000)은 셔터(1004)를 통해 레이저 빔 (1002)을 투사할 수 있다. 일단 레이저 빔 (1002)이 셔터(1004)에서 출사하고 나면, 레이저 빔 (1002)은 회전 반파장 판 (1006)을 통해 유도될 수 있다. 회전 반파장 판은 대개는 광선 빔의 편광 상태를 조작하는 데 사용될 수 있는 특정량의 복굴절을 갖는 투명 판일 수 있다. 회전 반파장 판은 느린 축 및 빠른 축(즉, 2개의 편광 방향)을 가질 수 있고, 이 둘 모두 레이저 빔 (1002)의 방향에 수직일 수 있다. 회전 반파장 판 (1006)은 레이저 빔 (1002)의 편광 상태를 변경시킬 수 있고, 이로써, 두 선형 편광 방향 사이의 위상 지연차는 π이다. 위상 지연차는 λ/2의 거리에 걸친 전파 위상 변이에 상응할 수 있다. 상이한 유형의 파장 판은 본원에 개시된 시스템과 함께 사용될 수 있고; 예를 들어, 회전 ¼ 파장 판이 사용될 수 있다. 회전 반파장 판 (1006)은 진정 0차 파장 판, 저차 파장 판, 또는 다차 파장 판일 수 있다. 회전 반파장 판 (1006)은 결정질 석영(SiO2), 방해석(CaCO3), 플루오린화 마그네슘 (MgF2), 사파이어(Al2O3), 운모, 또는 복굴절 중합체로 구성될 수 있다.
레이저 빔 (1002)은 회전 반파장 판 (1006)에서 출사하여, 편광 빔 분리기(1008)를 통해 유도될 수 있다. 편광 빔 분리기(1008)는 레이저 빔 (1002)을 제1 레이저 빔 (1002a) 및 제2 레이저 빔 (1002b)으로 분리시킬 수 있다. 제1 레이저 빔 (1002a)은 빔 덤프 (1010)로 유도될 수 있다. 빔 덤프 (1010)는 레이저 빔의 표유 부분을 흡수하는 데 사용될 수 있는 광학 요소이다. 빔 덤프 (1010)는 제1 레이저 빔 (1002a)을 흡수할 수 있다. 제1 레이저 빔 (1002a)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 빔 덤프 (1010)는 제2 레이저 빔 (1002b)을 흡수할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1002b)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 제2 레이저 빔 (1002b)은 그 전체가 빔 덤프 (1010)로 유도될 수 있고, 따라서, 프린팅 시스템의 디폴트 "오프" 상태로서 작용할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1002b)은 빔 익스팬더 (1012)로 유도될 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 레이저 빔 (1002b)의 크기를 확장시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 입력 제2 레이저 빔 (1002b)의 직경을 출력, 확장된 레이저 빔 (1054)의 더 큰 직경으로 증가시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 텔레스코픽 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 다중 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 갈릴레이식(Galilean) 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 약 2X, 3X, 5X, 10X, 20X, 또는 40X의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 약 2X 내지 약 5X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 약 2X 내지 약 5X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 약 5X 내지 약 10X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1012)는 약 5X 내지 약 10X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 확장된 레이저 빔 (1054)은 빔 익스팬더 (1012)에서 출사시 시준될 수 있다.
빔 익스팬더 (1012)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1054)은 제1 미러 (1014a)로 유도될 수 있고, 이는 확장된 레이저 빔 (1054)을 공간 광 변조기(SLM) (1016)로 재유도시킬 수 있다. SLM (1016)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. SLM (1016)은 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 프린팅하고자 하는 물질의 특정 영상 또는 영상의 특정 부분을 투영하도록 유도될 수 있다. 프린팅하고자 하는 물질은 생물학적 물질일 수 있다. 생물학적 물질은 3차원 생물학적 물질일 수 있다. 특정 영상 및 상기 영상의 특정 부분은 1차원, 2차원, 및/또는 3차원일 수 있다. SLM (1016)은 상이한 파장의 광선으로 동시에 적어도 하나의 영상을 투영하도록 유도될 수 있다. SLM (1016)은 컴퓨터 시스템 (1101)을 사용하는 대신 미러를 사용하여 프린팅하고자 하는 물질의 다른 면을 투영하도록 유도될 수 있다. 일부 경우에서, 프린팅하고자 하는 물질의 다른 면 또는 부분을 프린팅하기 위해 특정 광 경로 또는 레이저 빔을 재유도시키거나, 또는 "오프" 또는 "온"으로 전원을 끄거나, 또는 켜는 데 적어도 하나의 미러가 사용될 수 있다.
SLM (1016)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1054)은 f1 렌즈 (1018)로 유도될 수 있다. f1 렌즈 (1018)는 집속 렌즈일 수 있다. f1 렌즈 (1018)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1054)은 차단 요소 (1020)로 유도될 수 있다. 차단 요소 (1020)는 고정형일 수 있다. 차단 요소 (1020)는 0차 스폿으로부터의 조명을 억제시킬 수 있다. 0차는 회절되지 않고, 원리 또는 반사 및 굴절에 따라 거동하는, 확장된 레이저 빔 (1054)으로부터의 에너지의 일부분일 수 있다. 차단 요소 (1020)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1054)은 f2 렌즈 (1022)를 통해 유도될 수 있다. f2 렌즈는 집속 렌즈일 수 있다.
f2 렌즈 (1022)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1054)은 제2 미러 (1014b) 상으로 유도될 수 있고, 이어서, 제3 미러 (1014c) 상으로 유도될 수 있다. 제3 미러 (1014c)는 확장된 레이저 빔 (1054)을 롱 패스 이색성 미러 (1024)를 통해 재유도시킬 수 있다. 제1 미러 (1014a), 제2 미러 (1014b), 및/또는 제3 미러 (1014c)는 반사율을 개선시키기 위해 적외선(IR) 코팅을 포함할 수 있다. 제1 미러 (1014a), 제2 미러 (1014b), 및/또는 제3 미러 (1014c)는 적외선(IR) 코팅을 포함하지 않을 수 있다. IR 코팅의 비제한적인 예로는 보호된 금 기반 코팅 및 보호된 은 기반 코팅을 포함한다. 제1 미러 (1014a), 제2 미러 (1014b), 및/또는 제3 미러 (1014c)는 컴퓨터 시스템 (1101)으로 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 원하는 대로 확장된 레이저 빔 (1054)을 재유도시키기 위해 제1 미러 (1014a), 제2 미러 (1014b), 및/또는 제3 미러 (1014c)를 "온" 또는 "오프"로 전원을 켜거나, 또는 끌 수 있다.
이색성 미러는 숏 패스 이색성 미러일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1024)는 확장된 레이저 빔 (1054)을 집속 대물렌즈 (1032)로 반사시킬 수 있다. 일부 경우에, 빔 결합기는 롱 패스 이색성 미러 (1024)를 사용하는 대신 확장된 레이저 빔 (1054)을 집속 대물렌즈 (1032)로 재유도시키는 데 사용될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1024)는 확장된 레이저 빔 (1054)을 집속 대물렌즈 (1032)로 재유도시키기 위해 컴퓨터 시스템 (1101)로 제어될 수 있다. 프린팅 챔버 (1034)로 투사됨에 따라, 집속 대물렌즈 (1032)는 확장된 레이저 빔 (1054)을 집중시킬 수 있다. 프린팅 챔버 (1034)는 매질 챔버 (122)일 수 있다. 프린팅 챔버 (1034)는 세포 함유 매질, 복수의 세포, 세포 구성 요소(예컨대, 세포기관), 및/또는 적어도 하나의 중합체 전구체를 포함할 수 있다.
발광 다이오드(LED) 시준기 (1040)는 시준된 LED 광선 (1056)의 소스로서 사용될 수 있다. LED 시준기 (1040)는 시준 렌즈 및 LED 방출기를 포함할 수 있다. LED는 무기 LED, 고휘도 LED, 양자점 LED, 또는 유기 LED일 수 있다. LED는 단색 LED, 2색 LED, 또는 3색 LED일 수 있다. LED는 청색 LED, 자외선 LED, 백색 LED, 적외선 LED, 적색 LED, 오렌지색 LED, 황색 LED, 녹색 LED, 보라색 LED, 분홍색 LED, 또는 자주색 LED일 수 있다. LED 시준기 (1040)는 f4 렌즈 (1038)를 통해 시준된 LED 광선 (1056)의 빔을 투사할 수 있다. f4 렌즈 (1038)는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1056)이 f4 렌즈 (1038)를 통해 전달되고 나면, 시준된 LED 광선 (1056)은 광 집속 대물렌즈 (1036)로 유도될 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1036)는 시준된 LED 광선 (1056)을 프린팅 챔버 (1034)로 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1036)는 샘플 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1056)을 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1036)는 세포 함유 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1056)을 집속시킬 수 있다. 시준된 LED 광선 (1056)은 프린팅 챔버 (1034)를 통해 집속 대물렌즈 (1032)로 전달될 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1056)이 집속 대물렌즈 (1032)에서 출사하고 나면, 시준된 LED 광선 (1056)은 롱 패스 이색성 미러 (1024) 상으로 유도될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1024)에서 반사되는 시준된 LED 광선 (1056)은 샘플 방사물 (1026)일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1024)는 샘플 방사물 (1026)을 f3 렌즈 (1028)로 재유도시킬 수 있다. f3 렌즈 (1028)는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 샘플 방사물 (1026)이 f3 렌즈 (1028)를 통해 전달되고 나면, 검출 시스템 (1030)은 영상화를 위해 샘플 방사물 (1026)을 검출하고/거나, 수집한다. 검출 시스템 (1030)은 적어도 하나의 광전자 증배관(PMT)을 포함할 수 있다. 검출 시스템 (1030)은 적어도 하나의 카메라를 포함할 수 있다. 카메라는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS: complementary metal-oxide semiconductor) 카메라, 과학 CMOS 카메라, 전하 결합 소자(CCD: charge-coupled device) 카메라, 또는 전자 증배형 전하 결합 소자(EM-CCD: electron-multiplying charge-coupled device)일 수 있다. 검출 시스템 (1030)은 적어도 하나의 어레이 기반 검출기를 포함할 수 있다.
도 13은 3차원 프린팅 시스템의 추가의 또 다른 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다. 도 13에 제시된 광학 컴포넌트 및 광학 경로는 시간 집속을 사용할 수 있는 3차원 프린팅 시스템을 제공한다. 3차원 프린팅 시스템은 에너지원 (1100)을 포함할 수 있다. 에너지원 (1100)은 간섭성 광원일 수 있다. 에너지원 (1100)은 레이저원일 수 있다. 에너지원 (1100)은 펨토초 펄스 레이저 광원일 수 있다. 에너지원 (1100)은 제1 레이저원 (140a), 제2 레이저원 (140b), 또는 제3 레이저원 (140c)일 수 있다. 에너지원 (1100)은 다광자 레이저 빔 (120)일 수 있다. 에너지원 (1100)은 2 광자 레이저 빔일 수 있다. 에너지원 (1100)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 에너지원 (1100)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 조정될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 프린팅 프로세스 이전에 또는 그 동안에 에너지원 (1100)의 에너지 파장을 제어 및/또는 세팅할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 에너지원 (1100)의 파장을 세팅함으로써 상이한 여기 파장을 생성할 수 있다.
에너지원 (1100)은 펄스될 수 있다. 에너지원 (1100)은 약 500 킬로헤르츠 (kHz)의 속도로 펄스될 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 20 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 40 마이크로 줄(μJ) 내지 80 μJ 의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 120 마이크로 줄(μJ) 내지 160 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 10 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 20 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 30 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 40 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 50 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 60 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 70 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 80 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 90 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 100 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 110 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 120 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 130 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 140 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 150 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 160 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 170 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 180 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 190 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 200 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 20,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 약 100,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 예컨대, 약 300 nm 내지 5 mm, 600 nm 내지 1,500 nm, 350 nm 내지 1800 nm, 또는 1,800 nm 내지 5 mm의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다. 에너지원 (1100)(예컨대, 레이저)은 적어도 약 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm, 1 mm, 1.1 mm, 1.2, mm, 1.3 mm, 1.4 mm, 1.5 mm, 1.6 mm, 1.7 mm, 1.8 mm, 1.9 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm 이상의 파장을 갖는 에너지 빔(예컨대, 레이저 빔)을 제공할 수 있다.
도 13에 제시된 바와 같이, 에너지원 (1110)은 셔터(1104)를 통해 레이저 빔 (1102)을 투사할 수 있다. 일단 레이저 빔 (1102)이 셔터(1104)에서 출사하고 나면, 레이저 빔 (1102)은 회전 반파장 판 (1106)을 통해 유도될 수 있다. 회전 반파장 판 (1106)은 레이저 빔 (1102)의 편광 상태를 변경시킬 수 있고, 이로써, 두 선형 편광 방향 사이의 위상 지연차는 π이다. 위상 지연차는 λ/2의 거리에 걸친 전파 위상 변이에 상응할 수 있다. 상이한 유형의 파장 판은 본원에 개시된 시스템과 함께 사용될 수 있고; 예를 들어, 회전 ¼ 파장 판이 사용될 수 있다. 회전 반파장 판 (1106)은 진정 0차 파장 판, 저차 파장 판, 또는 다차 파장 판일 수 있다. 회전 반파장 판 (1106)은 결정질 석영(SiO2), 방해석(CaCO3), 플루오린화 마그네슘 (MgF2), 사파이어(Al2O3), 운모, 또는 복굴절 중합체로 구성될 수 있다.
레이저 빔 (1102)은 회전 반파장 판 (1106)에서 출사하여, 편광 빔 분리기(1108)를 통해 유도될 수 있다. 편광 빔 분리기(1108)는 레이저 빔 (1102)을 제1 레이저 빔 (1102a) 및 제2 레이저 빔 (1102b)으로 분리시킬 수 있다. 제1 레이저 빔 (1102a)은 빔 덤프 (1110)로 유도될 수 있다. 빔 덤프 (1110)는 레이저 빔의 표유 부분을 흡수하는 데 사용될 수 있는 광학 요소이다. 빔 덤프 (1110)는 제1 레이저 빔 (1102a)을 흡수할 수 있다. 제1 레이저 빔 (1102a)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 빔 덤프 (1110)는 제2 레이저 빔 (1102b)을 흡수할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1102b)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 제2 레이저 빔 (1102b)은 그 전체가 빔 덤프 (1110)로 유도될 수 있고, 따라서, 프린팅 시스템의 디폴트 "오프" 상태로서 작용할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1102b)은 빔 익스팬더 (1112)로 유도될 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 레이저 빔 (1102b)의 크기를 확장시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 입력 제2 레이저 빔 (1102b)의 직경을 출력, 확장된 레이저 빔 (1154)의 더 큰 직경으로 증가시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 텔레스코픽 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 다중 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 갈릴레이식 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 약 2X, 3X, 5X, 10X, 20X, 또는 40X의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 약 2X 내지 약 5X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 약 2X 내지 약 5X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 약 5X 내지 약 10X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1112)는 약 5X 내지 약 10X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 확장된 레이저 빔 (1154)은 빔 익스팬더 (1112)에서 출사시 시준될 수 있다.
빔 익스팬더 (1112)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 제1 미러 (1114a)로 유도될 수 있고, 이는 확장된 레이저 빔 (1154)을 제1 공간 광 변조기(SLM) (1116a)로 재유도시킬 수 있다. 제1 SLM (1116)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 f1 렌즈 (1118)로 유도될 수 있다. f1 렌즈 (1118)는 집속 렌즈일 수 있다. f1 렌즈 (1118)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 격자 (1142)로 유도될 수 있다. 격자 (1142)는 회절 레이저 빔 분리기일 수 있다. 격자 (1142)는 홀로그래픽 격자일 수 있다. 격자 (1142)는 괘선 형성 격자일 수 있다. 격자 (1142)는 서브파장 격자일 수 있다. 격자 (1142)는 확장된 레이저 빔 (1154)을 복수의 확장된 레이저 빔으로 분리 및/또는 회절시킬 수 있다(도 13에 제시되지 않음). 격자 (1142)는 분산 요소로 작용할 수 있다. 일단 확장된 레이저 빔 (1154)은 격자 (1142)에 의해 분리, 회절 및/또는 분산되고, 확장된 레이저 빔 (1154)은 f2 렌즈 (1122)를 통해 전달될 수 있다. f2 렌즈 (1122)는 집속 렌즈일 수 있다. f2 렌즈 (1122)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 제2 SLM (1116b)으로 유도될 수 있다. SLM들(즉, 제1 SLM (1116a) 및 제2 SLM (1116b))은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. SLM들은 상기 기술된 바와 같이, 도 12에 제시된 SLM (1016)의 기능을 모두 수행할 수 있다
제2 SLM (1116b)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 f3 렌즈 (1128)로 유도될 수 있다. f3 렌즈 (1128)은 집속 렌즈일 수 있다. f3 렌즈에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 차단 요소 (1120)로 유도될 수 있다. 차단 요소 (1120)는 고정형일 수 있다. 차단 요소 (1120)는 0차 스폿으로부터의 조명을 억제시키는 데 사용될 수 있다. 차단 요소 (1120)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 f4 렌즈 (1138)를 통해 유도될 수 있다. f4 렌즈 (1138)는 집속 렌즈일 수 있다. f4 렌즈 (1138)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1154)은 제2 미러 (1114b) 상으로 유도될 수 있고, 이어서, 제3 미러 (1114c) 상으로 유도될 수 있다. 제3 미러 (1114c)는 확장된 레이저 빔 (1154)을 롱 패스 이색성 미러 (1124)를 통해 재유도시킬 수 있다. 제1 미러 (1114a), 제2 미러 (1114b), 및/또는 제3 미러 (1114c)는 컴퓨터 시스템 (1101)로 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 원하는 대로 확장된 레이저 빔 (1154)을 재유도시키기 위해 제1 미러 (1114a), 제2 미러 (1114b), 및/또는 제3 미러 (1114c)를 "온" 또는 "오프"로 전원을 켜거나, 또는 끌 수 있다. 이색성 미러는 숏 패스 이색성 미러일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1124)는 확장된 레이저 빔 (1154)을 집속 대물렌즈 (1132)로 반사시킬 수 있다. 일부 경우에, 빔 결합기는 롱 패스 이색성 미러 (1124)를 사용하는 대신 확장된 레이저 빔 (1154)을 집속 대물렌즈 (1132)로 재유도시키는 데 사용될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1124)는 확장된 레이저 빔 (1154)을 집속 대물렌즈 (1132)로 재유도시키기 위해 컴퓨터 시스템 (1101)로 제어될 수 있다. 프린팅 챔버 (1134)로 투사됨에 따라, 집속 대물렌즈 (1132)는 확장된 레이저 빔 (1154)을 집중시킬 수 있다. 프린팅 챔버 (1134)는 매질 챔버 (122)일 수 있다. 프린팅 챔버 (1134)는 세포 함유 매질, 복수의 세포, 세포 구성 요소(예컨대, 세포기관), 및/또는 적어도 하나의 중합체 전구체를 포함할 수 있다.
프린팅 챔버 (1134)는 이동식 스테이지 (1146) 상에 탑재될 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)는 xy 스테이지, z 스테이지, 및/또는 xyz 스테이지일 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)는 수동으로 배치될 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)는 자동으로 배치될 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)는 모터식 스테이지일 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)는 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 이동식 스테이지 (1146)의 이동을 x, y, 및/또는 z 방향으로 제어할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 자동으로 이동식 스테이지 (1146)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 3 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1146)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 2 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1146)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 1 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1146)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 3차원 프린팅 이전에 또는 그 동안 이동식 스테이지 (1146)의 위치를 자동으로 조정할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 컴퓨터 제어식 z축(즉, 수직 방향) 포지셔닝 및 능동 위치 피드백을 제공하는 압전(피에조) 제어 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 사용자가 이동식 스테이지 (1146)의 위치를 제어할 수 있도록 하는 조이스틱 콘솔을 포함할 수 있다. 조이스틱 콘솔은 z축 콘솔 및/또는 x축 및 y축 콘솔일 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)은 프린팅 챔버 홀더를 포함할 수 있다. 프린팅 챔버 홀더는 브라켓, 클립, 및/또는 함몰형 샘플 홀더일 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)은 다중 슬라이드 홀더, 슬라이드 홀더, 및/또는 페트리 디쉬 홀더를 포함할 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)은 위치 피드백을 제공하는 센서를 포함할 수 있다. 센서는 전기용량 센서일 수 있다. 센서는 압전저항 센서일 수 있다. 이동식 스테이지 (1146)은 이동식 스테이지 (1146)를 이동시키는(또는 배치하는) 적어도 하나의 작동 장치(예컨대, 압전 작동 장치)를 포함할 수 있다.
발광 다이오드(LED) 시준기 (1140)는 시준된 LED 광선 (1156)의 소스로서 사용될 수 있다. LED 시준기 (1140)는 시준 렌즈 및 LED 방출기를 포함할 수 있다. LED는 무기 LED, 고휘도 LED, 양자점 LED, 또는 유기 LED일 수 있다. LED는 단색 LED, 2색 LED, 또는 3색 LED일 수 있다. LED는 청색 LED, 자외선 LED, 백색 LED, 적외선 LED, 적색 LED, 오렌지색 LED, 황색 LED, 녹색 LED, 보라색 LED, 분홍색 LED, 또는 자주색 LED일 수 있다. LED 시준기 (1140)는 f6 렌즈 (1148)를 통해 시준된 LED 광선 (1156)의 빔을 투사할 수 있다. f6 렌즈 (1148)는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1156)이 f6 렌즈 (1148)를 통해 전달되고 나면, 시준된 LED 광선 (1156)은 광 집속 대물렌즈 (1136)로 유도될 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1136)는 시준된 LED 광선 (1156)을 프린팅 챔버 (1134)로 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1136)는 샘플 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1156)을 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1136)는 세포 함유 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1156)을 집속시킬 수 있다. 시준된 LED 광선 (1156)은 프린팅 챔버 (1134)를 통해 집속 대물렌즈 (1132)로 전달될 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1156)이 집속 대물렌즈 (1132)에서 출사하고 나면, 시준된 LED 광선 (1156)은 롱 패스 이색성 미러 (1124) 상으로 유도될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1124)에서 반사되는 시준된 LED 광선 (1156)은 샘플 방사물 (1126)일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1124)는 샘플 방사물 (1126)을 f5 렌즈 (1144)로 재유도시킬 수 있다. f5 렌즈 (1144)는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 샘플 방사물 (1126)이 f5 렌즈 (1144)를 통해 전달되고 나면, 검출 시스템 (1130)은 영상화를 위해 샘플 방사물 (1126)을 검출하고/거나, 수집한다. 검출 시스템 (1130)은 적어도 하나의 광전자 증배관(PMT)을 포함할 수 있다. 검출 시스템 (1130)은 적어도 하나의 카메라를 포함할 수 있다. 카메라는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 카메라, 과학 CMOS 카메라, 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 또는 전자 증배형 전하 결합 소자(EM-CCD)일 수 있다. 검출 시스템 (1130)은 적어도 하나의 어레이 기반 검출기를 포함할 수 있다.
도 14는 3차원 프린팅 시스템의 추가 실시양태의 광학 컴포넌트 및 광학 경로를 도시한 것이다. 도 14에 제시된 광학 컴포넌트 및 광학 경로는 시간 집속을 사용할 수 없는 3차원 프린팅 시스템을 제공한다. 3차원 프린팅 시스템은 에너지원 (1200)을 포함할 수 있다. 에너지원 (1200)은 간섭성 광원일 수 있다. 에너지원 (1200)은 레이저원일 수 있다. 에너지원 (1200)은 펨토초 펄스 레이저 광원일 수 있다. 에너지원 (1200)은 제1 레이저원 (140a), 제2 레이저원 (140b), 또는 제3 레이저원 (140c)일 수 있다. 에너지원 (1200)은 다광자 레이저 빔 (120)일 수 있다. 에너지원 (1200)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 에너지원 (1200)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 조정될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 프린팅 프로세스 이전에 또는 그 동안에 에너지원 (1200)의 에너지 파장을 제어 및/또는 세팅할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 에너지원 (1200)의 파장을 세팅함으로써 상이한 여기 파장을 생성할 수 있다.
에너지원 (1200)은 펄스될 수 있다. 에너지원 (1200)은 약 500 킬로헤르츠 (kHz)의 속도로 펄스될 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 1,000 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 10 마이크로 줄(μJ) 내지 100 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 20 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1 마이크로 줄(μJ) 내지 50 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 40 마이크로 줄(μJ) 내지 80 μJ 의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 120 마이크로 줄(μJ) 내지 160 μJ 이상의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 10 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 20 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 30 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 40 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 50 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 60 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 70 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 80 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 90 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 100 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 110 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 120 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 130 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 140 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 150 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 160 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 170 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 180 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 190 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 200 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 20,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 100,000 μJ의 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 펄스 에너지(패킷 당)를 갖는 에너지 패킷을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 예컨대, 약 적어도 300 nm 내지 약 5 mm 이상의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 600 내지 약 1,500 nm 이상의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 350 nm 내지 약 1,800 nm 이상의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 적어도 1,800 nm 내지 약 5 mm 이상의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 300 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 400 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 600 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 700 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 800 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 900 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,200 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,200 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,200 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,300 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,400 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,500 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,600 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,700 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,800 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 1,900 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 2,000 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 3,000 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 4,000 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다. 에너지원 (1200)(예컨대, 레이저)은 약 5,000 nm의 파장을 갖는 에너지(예컨대, 레이저 빔)를 제공할 수 있다.
도 14에 제시된 바와 같이, 에너지원 (1200)은 셔터(1104)를 통해 레이저 빔 (1202)을 투사할 수 있다. 일단 레이저 빔 (1202)이 셔터(1204)에서 출사하고 나면, 레이저 빔 (1202)은 회전 반파장 판 (1206)을 통해 유도될 수 있다. 회전 반파장 판 (1206)은 레이저 빔 (1202)의 편광 상태를 변경시킬 수 있고, 이로써, 두 선형 편광 방향 사이의 위상 지연차는 π이다. 위상 지연차는 λ/2의 거리에 걸친 전파 위상 변이에 상응할 수 있다. 상이한 유형의 파장 판은 본원에 개시된 시스템과 함께 사용될 수 있고; 예를 들어, 회전 ¼ 파장 판이 사용될 수 있다. 회전 반파장 판 (1206)은 진정 0차 파장 판, 저차 파장 판, 또는 다차 파장 판일 수 있다. 회전 반파장 판 (1206)은 결정질 석영(SiO2), 방해석(CaCO3), 플루오린화 마그네슘 (MgF2), 사파이어(Al2O3), 운모, 또는 복굴절 중합체로 구성될 수 있다.
레이저 빔 (1202)은 회전 반파장 판 (1206)에서 출사하여, 편광 빔 분리기 (1208)를 통해 유도될 수 있다. 편광 빔 분리기 (1208)는 레이저 빔 (1202)을 제1 레이저 빔 (1202a) 및 제2 레이저 빔 (1202b)으로 분리시킬 수 있다. 제1 레이저 빔 (1202a)은 빔 덤프 (1210)로 유도될 수 있다. 빔 덤프 (1210)는 레이저 빔의 표유 부분을 흡수하는 데 사용될 수 있는 광학 요소이다. 빔 덤프 (1210)는 제1 레이저 빔 (1202a)을 흡수할 수 있다. 제1 레이저 빔 (1202a)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 빔 덤프 (1210)는 제2 레이저 빔 (1202b)을 흡수할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1202b)은 표유 레이저 빔일 수 있다. 제2 레이저 빔 (1202b)은 그 전체가 빔 덤프 (1210)로 유도될 수 있고, 따라서, 프린팅 시스템의 디폴트 "오프" 상태로서 작용할 수 있다. 제2 레이저 빔 (1202b)은 빔 익스팬더 (1212)로 유도될 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 레이저 빔 (1202b)의 크기를 확장시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 입력 제2 레이저 빔 (1202b)의 직경을 출력, 확장된 레이저 빔 (1254)의 더 큰 직경으로 증가시킬 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 텔레스코픽 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 다중 프리즘 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 갈릴레이식 빔 익스팬더일 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 약 2X, 3X, 5X, 10X, 20X, 또는 40X의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 약 2X 내지 약 5X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 약 2X 내지 약 5X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 약 5X 내지 약 10X 범위의 빔 익스팬더 배율을 제공할 수 있다. 빔 익스팬더 (1212)는 약 5X 내지 약 10X의 연속 빔 확장을 제공할 수 있다. 확장된 레이저 빔 (1254)은 빔 익스팬더 (1212)에서 출사시 시준될 수 있다.
빔 익스팬더 (1212)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 제1 미러 (1214a)로 유도될 수 있고, 이는 확장된 레이저 빔 (1254)을 제1 공간 광 변조기(SLM) (1216a)로 재유도시킬 수 있다. 제1 SLM (1216)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 f1 렌즈 (1218)로 유도될 수 있다. f1 렌즈 (1218)는 집속 렌즈일 수 있다. f1 렌즈 (1218)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 차단 요소 (1250)가 있는 미러로 유도될 수 있다. 차단 요소 (1250)가 있는 미러는 0차 스폿으로부터의 조명을 억제시키는 데 사용될 수 있다.
일단 확장된 레이저 빔 (1254)가 차단 요소 (1250)가 있는 미러에 의해 반사되고 나면, 확장된 레이저 빔 (1254)은 f2 렌즈 (1222)를 통해 전달될 수 있다. f2 렌즈 (1222)는 집속 렌즈일 수 있다. f2 렌즈 (1222)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 제2 SLM (1216b)으로 유도될 수 있다. SLM들(즉, 제1 SLM (1216a) 및 제2 SLM (1216b))은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. SLM들은 상기 기술된 바와 같이, 각각 도 44 및 45에 제시된 SLM (1016) 및 SLM (1116)의 기능을 모두 수행할 수 있다
제2 SLM (1216b)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 f3 렌즈 (1228)로 유도될 수 있다. f3 렌즈에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 차단 요소 (1220)로 유도될 수 있다. 차단 요소 (1220)는 고정형일 수 있다. 차단 요소 (1220)는 0차 스폿으로부터의 조명을 억제시키는 데 사용될 수 있다. 차단 요소 (1220)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 f4 렌즈 (1238)를 통해 유도될 수 있다. f4 렌즈 (1238)는 집속 렌즈일 수 있다. f4 렌즈 (1238)에서 출사된 후, 확장된 레이저 빔 (1254)은 제2 미러 (1214b) 상으로 유도될 수 있고, 이어서, 제3 미러 (1214c) 상으로 유도될 수 있다. 제3 미러 (1214c)는 확장된 레이저 빔 (1254)을 롱 패스 이색성 미러 (1224)를 통해 재유도시킬 수 있다. 제1 미러 (1214a), 제2 미러 (1214b), 및/또는 제3 미러 (1214c)는 컴퓨터 시스템 (1101)로 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 원하는 대로 확장된 레이저 빔 (1254)을 재유도시키기 위해 제1 미러 (1214a), 제2 미러 (1214b), 및/또는 제3 미러 (1214c)를 "온" 또는 "오프"로 전원을 켜거나, 또는 끌 수 있다. 이색성 미러는 숏 패스 이색성 미러일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1224)는 확장된 레이저 빔 (1254)을 집속 대물렌즈 (1232)로 반사시킬 수 있다. 일부 경우에, 빔 결합기는 롱 패스 이색성 미러 (1224)를 사용하는 대신 확장된 레이저 빔 (1254)을 집속 대물렌즈 (1232)로 재유도시키는 데 사용될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1224)는 확장된 레이저 빔 (1254)을 집속 대물렌즈 (1232)로 재유도시키기 위해 컴퓨터 시스템 (1101)로 제어될 수 있다. 프린팅 챔버 (1234)로 투사됨에 따라, 집속 대물렌즈 (1232)는 확장된 레이저 빔 (1254)을 집중시킬 수 있다. 프린팅 챔버 (1234)는 매질 챔버 (122)일 수 있다. 프린팅 챔버 (1234)는 세포 함유 매질, 복수의 세포, 세포 구성 요소(예컨대, 세포기관), 및/또는 적어도 하나의 중합체 전구체를 포함할 수 있다.
프린팅 챔버 (1234)는 이동식 스테이지 (1246) 상에 탑재될 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)는 xy 스테이지, z 스테이지, 및/또는 xyz 스테이지일 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)는 수동으로 배치될 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)는 자동으로 배치될 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)는 모터식 스테이지일 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)는 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 이동식 스테이지 (1246)의 이동을 x, y, 및/또는 z 방향으로 제어할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 자동으로 이동식 스테이지 (1246)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 3 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1246)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 2 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1246)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 최대 약 1 ㎛의 위치 정확도로 이동식 스테이지 (1246)를 원하는 x, y, 및/또는 z 위치에 배치할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 3차원 프린팅 이전에 또는 그 동안 이동식 스테이지 (1246)의 위치를 자동으로 조정할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 컴퓨터 제어식 z축(즉, 수직 방향) 포지셔닝 및 능동 위치 피드백을 제공하는 피에조 제어 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 사용자가 이동식 스테이지 (1246)의 위치를 제어할 수 있도록 하는 조이스틱 콘솔을 포함할 수 있다. 조이스틱 콘솔은 z축 콘솔 및/또는 x축 및 y축 콘솔일 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)은 프린팅 챔버 홀더를 포함할 수 있다. 프린팅 챔버 홀더는 브라켓, 클립, 및/또는 함몰형 샘플 홀더일 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)은 다중 슬라이드 홀더, 슬라이드 홀더, 및/또는 페트리 디쉬 홀더를 포함할 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)은 위치 피드백을 제공하는 센서를 포함할 수 있다. 센서는 전기용량 센서일 수 있다. 센서는 압전저항 센서일 수 있다. 이동식 스테이지 (1246)은 이동식 스테이지 (1246)를 이동시키는(또는 배치하는) 적어도 하나의 작동 장치(예컨대, 압전 작동 장치)를 포함할 수 있다.
발광 다이오드(LED) 시준기 (1240)는 시준된 LED 광선 (1256)의 소스로서 사용될 수 있다. LED 시준기 (1240)는 시준 렌즈 및 LED 방출기를 포함할 수 있다. LED는 무기 LED, 고휘도 LED, 양자점 LED, 또는 유기 LED일 수 있다. LED는 단색 LED, 2색 LED, 또는 3색 LED일 수 있다. LED는 청색 LED, 자외선 LED, 백색 LED, 적외선 LED, 적색 LED, 오렌지색 LED, 황색 LED, 녹색 LED, 보라색 LED, 분홍색 LED, 또는 자주색 LED일 수 있다. LED 시준기 (1240)는 f6 렌즈 (1248)를 통해 시준된 LED 광선 (1256)의 빔을 투사할 수 있다. f6 렌즈 (1148)는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1256)이 f6 렌즈 (1248)를 통해 전달되고 나면, 시준된 LED 광선 (1156)은 광 집속 대물렌즈 (1236)로 유도될 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1236)는 시준된 LED 광선 (1256)을 프린팅 챔버 (1234)로 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1236)는 샘플 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1256)을 집속시킬 수 있다. 광 집속 대물렌즈 (1236)는 세포 함유 매질 중에서 시준된 LED 광선 (1256)을 집속시킬 수 있다. 시준된 LED 광선 (1256)은 프린팅 챔버 (1234)를 통해 집속 대물렌즈 (1232)로 전달될 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1256)이 집속 대물렌즈 (1232)에서 출사하고 나면, 시준된 LED 광선 (1256)은 롱 패스 이색성 미러 (1224) 상으로 유도될 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1124)에서 반사되는 시준된 LED 광선 (1256)은 샘플 방사물 (1226)일 수 있다. 롱 패스 이색성 미러 (1224)는 샘플 방사물 (1226)을 f5 렌즈 (1244)로 재유도시킬 수 있다. f5 렌즈는 집속 렌즈일 수 있다. 일단 샘플 방사물 (1226)이 f5 렌즈 (1244)를 통해 전달되고 나면, 검출 시스템 (1230)은 영상화를 위해 샘플 방사물 (1226)을 검출하고/거나, 수집한다. 검출 시스템 (1230)은 적어도 하나의 광전자 증배관(PMT)을 포함할 수 있다. 검출 시스템 (1230)은 적어도 하나의 카메라를 포함할 수 있다. 카메라는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 카메라, 과학 CMOS 카메라, 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 또는 전자 증배형 전하 결합 소자(EM-CCD)일 수 있다. 검출 시스템 (1230)은 적어도 하나의 어레이 기반 검출기를 포함할 수 있다.
도 15는 광 검출 시스템 (1330)을 도시한 것이다. 광 검출 시스템 (1330)은 직렬로 배열된 복수의 롱 패스 이색성 미러를 포함할 수 있다. 광 검출 시스템 (1330)은 병렬로 배열된 복수의 롱 패스 이색성 미러를 포함할 수 있다. 광 검출 시스템 (1330)은 직렬 및 병렬로 배열된 복수의 롱 패스 이색성 미러를 포함할 수 있다. 도 44-46에 제시된 바와 같이, 광학 경로는 시준된 LED 광선 (1356)의 빔을 집속 대물렌즈 상으로 투사하는 LED 시준기를 포함할 수 있다. 일단 시준된 LED 광선 (1356)이 제1 롱 패스 이색성 미러 (1324a)로부터 반사되고 나면, 시준된 LED 광선 (1356)은 샘플 방사물 (1326)로 전환될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 f5 렌즈 (1344)를 통해 유도될 수 있다. f5 렌즈 (1344)는 집속 렌즈일 수 있다. 샘플 방사물 (1326)이 f5 렌즈 (1344)에서 출사된 후, 샘플 방사물 (1326)은 도 15에 제시된 바와 같이, 제2 롱 패스 이색성 미러 ((1324b)), 제3 롱 패스 이색성 미러 (1324c), 제4 롱 패스 이색성 미러 (1324d), 및 제5 롱 패스 이색성 미러 (1324e)를 포함하는 일련의 롱 패스 이색성 미러로 유도될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 제2 롱 패스 이색성 미러 ((1324b))에서 반사되고, 제1 광 검출기 (1352a) 상으로 반사될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 제3 롱 패스 이색성 미러 (1324c)에서 반사되고, 제2 광 검출기 (1352b) 상으로 반사될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 제4 롱 패스 이색성 미러 (1324d)에서 반사되고, 제3 광 검출기 (1352c) 상으로 반사될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 제5 롱 패스 이색성 미러 (1324e)에서 반사되고, 제4 광 검출기 (1352d) 상으로 반사될 수 있다. 샘플 방사물 (1326)은 제5 롱 패스 이색성 미러 (1324e)에서 반사되고, 제5 광 검출기 (1352e) 상으로 반사될 수 있다. 광 검출기는 광전자 증배관(PMT)일 수 있다. 광 검출기는 카메라일 수 있다. 광 검출기는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 카메라, 과학 CMOS 카메라, 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 또는 전자 증배형 전하 결합 소자(EM-CCD)일 수 있다. 광 검출기는 어레이 기반 검출기일 수 있다. 광 검출 시스템 (1330)은 점진적으로 적색 이동하는 차단 파장을 갖는 복수의 롱 패스 이색성 미러를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제2 롱 패스 이색성 미러 (1324b)는 약 460 nm의 차단 파장을 가질 수 있고, 제3 롱 패스 이색성 미러 (1324c)는 약 500 nm의 차단 파장을 가질 수 있고, 제4 롱 패스 이색성 미러 (1324d)는 약 540 nm의 차단 파장을 가질 수 있고, 제5 롱 패스 이색성 미러 (1324e)는 약 570 nm의 차단 파장을 가질 수 있다. 광 검출 시스템 (1330)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 제어될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 제1 광 검출기 (1352a), 제2 광 검출기 (1352b), 제3 광 검출기 (1352c), 및 제4 광 검출기 (1352d)에 의해 수득된 신호를 수집하고/또는 프로세싱할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 수집 및/또는 프로세싱될 수 있는, 광 검출 시스템 (1330)의 광 검출기 신호에 기초한 3차원 프린팅 시스템의 제어 피드백을 제공할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 도 44-46에서 기술된 임의의 광학 컴포넌트 및/또는 광학 경로의 하드웨어에 대한 제어 피드백을 가질 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 도 15에 제시된 광 검출 시스템 (1330)의 임의의 광학 컴포넌트 및/또는 하드웨어에 대한 제어 피드백을 가질 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 광 검출 시스템 (1330)으로부터의 신호에 대한 반응으로 예를 들어, SLM, 셔터, 이동식 스테이지, 미러, 렌즈, 집속 대물렌즈, 빔 익스팬더, LED 시준기, 격자, 및/또는 차단 요소를 제어할 수 있다.
도 5a는 다광자 조직 프린팅 헤드 (118)의 실시양태를 도시한 것이다. 다광자 프린팅-헤드 (118)는 레이저 시스템 (116)으로부터(하나 이상의 파장을 포함하는) 다광자 레이저 빔 (120)을 수신할 수 있고, 빔 (120)을 최종 광학 경로를 통해 집속할 수 있고, 임의적 스캔 헤드, 후방 산란광의 집광 및 기록에 사용하기 위한 롱 패스 미러 ?? 집속 대물렌즈 (200)으로 구성된 마감 광학부로 구성되고, 빔 (120)을 매질 챔버 (122)로 투사할 수 있다. 광선은 프린팅에 사용되는 것과 동일한 대물렌즈에 의해 집광될 수 있고, 이어서, 롱 패스 미러를 통해 단일 PMT, 또는 PMT 뱅크, 또는 CCD 카메라로 션팅될 수 있다.
일부 디자인에서, 광학부는 조직 프린팅 관 중 광선이 증착되는 곳을 더 쉽게 제어하기 위해 광섬유 케이블을 통해 레이저를 전송할 수 있다.
본원에 개시된 시스템은 예를 들어, 점점 더 낮아지는 배율을 갖는 다양한 집속 대물렌즈를 이용할 수 있고; 시야는 점점 더 커질 수 있다. 일부 경우에서, 시야는 단일 투영 면적에 현미경이 할 수 있는 프린팅 면적일 수 있다. 일부 경우에서, 5x, 10X, 또는 20x 대물렌즈가 사용될 수 있다. 일부 경우에서, 적어도 약 0.6 내지 약 1.2 이상 범위로 개구수가 높은 대물렌즈가 사용될 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 예컨대, 약 1x 내지 약 100x 범위의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 1x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 2x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 3x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 4x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 10x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 20x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 40x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 60x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다. 본원에 개시된 시스템은 약 100x의 배율을 갖는 대물 렌즈를 사용할 수 있다.
프린팅된 조직의 구조적 충실도를 유지시키기 위해, 세포 함유 액체 바이오겔 매질 (126) 내에서 입사각을 실질적으로 매칭하기 위해서는 물 침지 대물 렌즈가 이상적일 수 있다. 프린팅은 공기와 굴절률이 유의적으로 상이한 액체 매질에서 이루어지기 때문에, 굴절률 변화에 대해 보정된 물 침지 대물 렌즈가 사용될 수 있다.
도 5b는 제1 대물 렌즈 (200a) 및 제2 대물 렌즈 렌즈 (200b)를 포함하는 프린팅 헤드 (118)를 도시한 것이다. 도 5b는 구조체를 영상화하기 위한 도립 광학부를 도시한 것이다. 본 실시양태에서, 광선은 도립 광학부에 의해 집광될 수 있고, 도 5b에 제시된 바와 같이, CCD 카메라, 단일 PMT, 또는 다색 영상 생성을 위한 PMT들의 뱅크로 채널화될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 대물렌즈 헤드는 도립될 수 있고, 영상은 조직 밑면으로부터 수집될 수 있고, 입사광은 일련의 롱 패스 또는 밴드 패스 미러와 함께 PMT들에 의해 판독될 수 있다.
다광자 기반 프린터가 프린팅 모드에서 영상화 모드로 전환하도록 하기 위해서, x, y 래스터 스캐닝이 사용될 수 있고, DMD 또는 SLM 경로는 우회될 수 있거나, 장치는 오프 또는 불활성 위치에 있게 될 수 있거나, x, y 스캐닝 광학부를 히팅(hitting)하는 오직 단일 레이저 라인만이 존재하도록 하기 위해 광 경로로부터 제거될 수 있다.
영상화 모드로의 전환은 프린팅 프로세스 동안 여러 용도로 사용될 수 있다: 1) 2 광자 여기가 구조체를 가로질러 스캐닝될 때의 프로세스인 2차 고조파 발생을 통해 콜라겐이 자연적으로 방출을 생성하는 바, 영상화는 콜라겐 생성 속도를 모니터링하는 데 사용될 수 있고, 2) 프린팅된 조직의 엣지는 투영 공간의 엣지를 따라 혈관 및 다른 조직 구조체를 적절히 연결시키는 것을 촉진시키는 영상화 모드를 사용하여 관찰될 수 있고, 3) 프린팅된 조직 구조체는 실시간으로 투영된 영상에 대한 구조적 완전 무결성 및 충실도에 입증될 수 있고, 4) 일시적으로 표지된 세포가 사용되는 경우, 세포는 프로세스 입증 또는 모니터링을 위해 프린팅된 조직 내에 배치될 수 있다. 상기 실시양태의 레이저 시스템 (116)은 하기의 것을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 다양한 소프트웨어 제어 지점을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다: CAD 영상은 SLM 및/또는 DMD 장치 하드웨어에 저장된 변화를 프로그래밍함으로써 투영될 수 있고; 베셀 빔을 생성하는 데 TAG 렌즈가 사용된다면, TAG 렌즈에서 가변 음향 구배(TAG)를 유도하기 위해 생성된 전류는 컴퓨터 소프트웨어의 제어하에 있을 수 있고; 단일 빔 구현으로 레이저 여기를 유도하고, 다중 레이저 디자인을 위해 오프/온 스위치로서 작동할 수 있는 미러는 컴퓨터 소프트웨어에 의해 제어될 수 있고; 감쇠 휠을 통해 및 상이한 주파수로 조정되는 레이저 강도는 소프트웨어 입력에 의해 제어될 수 있고; 현미경 스테이지 이동은 소프트웨어의 제어하에 있을 수 있고; 현미경 대물렌즈 또는 연관된 광섬유 이동은 소프트웨어의 제어하에 있을 수 있고; 엣지 검출, 조명, 및 이동 또는 온/오프 상태에 의한 도립 대물렌즈의 제어는 소프트웨어의 제어하에 있을 수 있고; 임의의 영상화 또는 광 경로 제어장치(미러, 셔터, 스캐닝 광학부, SLM, DMD 등)는 소프트웨어의 제어하에 있을 수 있다.
신속 프린팅을 제공하기 위해, 대물렌즈 (200)에 광섬유 케이블이 장착될 수 있다. 도 6a는 착탈식 광섬유 케이블 액세서리 (250)의 실시양태를 도시한 것이다. 본 실시양태에서, 액세서리 (250)은 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드(도 6a-6b에 제시되지 않음)에 부착가능한 광섬유 케이블 (252) 및 피팅(도 6a-6b에 제시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이어서, 광섬유 케이블 (252)은 도 6b에 도시된 바와 같이, 매질 챔버 (122)의 매질 (126) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 다광자 레이저 빔 (120)은 대물렌즈 (200) 및 광섬유 케이블 (252)을 통과하여 레이저 에너지를 매질 (126)로 전달할 수 있고, 이로써, 원하는 복합 조직 구조체 (260)를 생성할 수 있다. 프린팅 프로세스 동안 현미경 대물렌즈, 또는 연약한 조직 구조체를 함유하는 프린팅 관의 이동을 막기 위해, 조직의 더 큰 부위가 프린팅되어야 한다면, 광섬유 케이블 그 자체는 이동될 수 있다. 일부 경우에서, 매질 (126) 내로 직접 삽입하는 것이 멸균성을 손상시키지 않도록 하기 위해 또는 프린팅된 세포를 교차 오염시키지 않도록 하기 위해, 액세서리 (250)는 멸균되거나, 또는 대체될 수 있다.
광섬유 케이블로 입력되는 전력에 따라, 다광자 레이저는 광섬유 케이블의 코어에 비가역적 손상을 유도할 수 있다. 따라서, 일부 경우에서, 그룹 지연 분산(GDD: group delayed dispersion)에 의한 유도 파장 처핑(chirping)은 광자를 장방형 레이저 펄스로 효과적으로 분산시킴으로써, 상기와 같은 잠재적 손상을 최소화시키기 위해 제공될 수 있다. 이는 프린팅 매질 중 세포에의 손상을 최소화시키기 위해 또는 광섬유 케이블의 수명을 연장시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 경우, GDD 장치는 SLM 또는 DMD 후 및 프린팅-헤드 광학부 (118)로의 유입 전에 레이저 시스템 (116)에 제공될 수 있다.
일부 경우에서, 원하는 조직의 3차원 프린팅은 단일 대물렌즈 (200) 또는 광섬유 액세서리 (250)가 부착된 대물렌즈 (200)를 이용하여 수행될 수 있고, 여기서, 각각의 것이 별개의 레이저 라인과 연관이 있고, 조직의 별개의 형상 또는 부분을 나타내는 것인 1 내지 3개의 상이한 형태는 동일한 대물렌즈 (200)를 통해 펄스될 수 있다. 상기 경우에서, 타이밍된 셔터 시스템이 설치될 수 있고, 이로써, 투영되는 영상 사이의 간섭은 없거나, 또는 최소화된다. 따라서, 조직 구조체의 동일한 CAD 모델을 사용하면서, 다중 지점에서 동시에 조직 구조체의 일부를 생성할 수 있도록 허용하기 위해 레이저 다중화가 사용될 수 있다. 유사하게, 레이저 다중화는 전체 프린팅 시간을 추가로 단축시킴과 동시에, 더 큰 구조체의 프린팅을 위해 요구되는 이동은 최소화시키면서, 상이하된, 인접한 CAD 기반 조직 모델을 이용할 수 있다. 예를 들어, 혈관상은 정상 순환에서 정맥의 역류를 막는, 더 큰 혈관 중의 판막과 같은 내부 구조체를 가질 수 있다. 상기 판막 구조체는 혈관 벽과 동시에 프린팅될 수 있다. 그러한 경우, 판막 구조체 및/또는 혈관 벽과 회합된 스캐폴딩은 따로 프린팅하기 어려울 수 있다.
동시에 형성된 3차원 구조체가 1 라운드의 프린팅 동안 프린팅 공간 전역에 걸쳐 반복될 수 있다. 생물학적 시스템에서, 작은 단위가 대개 구조체 전역에 걸쳐 반복될 수 있다. 그러므로, 한 프린팅 라운드에서 동일한 구조체를 반복 생성하는 것이 기능적 조직을 생성하는 데 유용할 수 있다. 추가의 비반복적, 미세 형상의 구조체 및 동일한 세포 프린팅 물질로부터의 후속 구조체는 프린팅된 제1 구조체와 함께 일렬로 또는 그와 연결되어 생성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드 (118)는 도 7-8에 도시된 바와 같이, 다중 프린팅 "헤드" 또는 제1 레이저 대물렌즈 (200a), 제2 레이저 대물렌즈 (200b), 및 제3 레이저 대물렌즈 (200c)를 통한 다광자 여기원을 포함할 수 있다. 도 7은 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드 (118)가 제1 레이저 대물렌즈 (200a), 제2 레이저 대물렌즈 (200b), 및 제3 레이저 대물렌즈 (200c)를 포함할 수 있고, 여기서, 제1 레이저 대물렌즈 (200a)는 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a)를 포함할 수 있고, 제2 레이저 대물렌즈 (200b)는 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b)를 포함할 수 있고, 제3 레이저 대물렌즈 (200c)는 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c)를 포함할 수 있는 것인 실시양태를 도시한 것이다. 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 및 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c)는 단일 매질 챔버 (122)로 유도될 수 있다. 단일 매질 챔버 (122)는 개방형 상부 또는 밀봉된 상부를 가질 수 있고, 각 액세서리 광섬유 케이블 액세서리에 의한(즉, 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 및 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c)를 통한) 포트 액세스를 갖는다. 이러한 배열은 최종 조직 구조체에 대한 제어는 유지시키면서, 큰, 신속한 조직 프린팅의 속도를 증가시킬 수 있다. 일부 경우에서, 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 및 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c)는 동일한 조직의 투영을 전달할 수 있다. 다른 경우에, 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 및 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c)는 상이한 조직 구조체의 제1 레이저 빔 투영 (120a), 제2 레이저 빔 투영 (120b), 및 제3 레이저 빔 투영 (120c)을 각각 전달할 수 있다. 다중 레이저 대물렌즈의 유연적 배열 및 광섬유 케이블을 매질 챔버 (122) 내의 동일한 영역으로 유도시킬 수 있는 능력을 고려해 볼 때, 조직 구조체는 동시에 프린팅될 수 있다. 생성된 조직 구조체는 함께 연결될 수 있거나, 또는 연결되지 않을 수 있다. 주어진 조직 구조체의 프린팅 시간은 이동 제한 및 각각의 추가 여기원으로 설명될 수 있는 고려 사항들을 일부 고려하였을 때, 레이저 전달 요소의 개수와 역관계를 가질 수 있다.
도 8은 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드 (118)가 제1 대물렌즈 (200a), 제2 대물렌즈 (200b), 제3 대물렌즈 (200c), 제4 대물렌즈 (200d), 제5 대물렌즈 (200e), 및 제6 대물렌즈 (200f)를 포함할 수 있고, 여기서, 각 대물렌즈는 각각 별개의 제1 매질 챔버 (122a), 제2 매질 챔버 (122b), 제3 매질 챔버 (122c), 제4 매질 챔버 (122d), 제5 매질 챔버 (122e), 및 제6 매질 챔버 (122f)로 각각 유도되는 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c), 제4 광섬유 케이블 액세서리 (250d), 제5 광섬유 케이블 액세서리 (250e), 및 제6 광섬유 케이블 액세서리 (250f)를 포함할 수 있는 것인 실시양태를 도시한 것이다. 복수의 매질 챔버는 다중 웰 플레이트일 수 있고, 여기서, 다중 웰 플레이트의 각 웰은 별개의 개별 매질 챔버이다. 일부 경우에서, 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c), 제4 광섬유 케이블 액세서리 (250d), 제5 광섬유 케이블 액세서리 (250e), 및 제6 광섬유 케이블 액세서리 (250f)는 동일한 조직 구조체의 적어도 하나의 투영을 전달할 수 있다. 이는 조직 구조체의 다중 카피를 동시에 제공한다. 다른 경우에서, 제1 광섬유 케이블 액세서리 (250a), 제2 광섬유 케이블 액세서리 (250b), 제3 광섬유 케이블 액세서리 (250c), 제4 광섬유 케이블 액세서리 (250d), 제5 광섬유 케이블 액세서리 (250e), 및 제6 광섬유 케이블 액세서리 (250f)는 상이한 조직의 구조체의 제1 다광자 레이저 빔 투영 (120a), 제2 다광자 레이저 빔 투영 (120b), 및 제3 다광자 레이저 빔 투영 (120c)을 전달할 수 있다. 일부 경우에서, 다중 카피를 동시에 생산할 수 있는 능력에 기인하여 프린팅 시간은 크게 단축될 수 있다.
일부 실시양태에서, 다광자 조직 프린팅 프린팅-헤드 (118)는 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 대물렌즈 (200a), 제2 대물렌즈 (200b), 및 제3 대물렌즈 (200c)를 포함하는 대물렌즈의 직렬 어레이를 포함할 수 있다. 본 실시양태에서, 각 대물렌즈는 별개의 매질 챔버와 함께 정렬될 수 있다. 예를 들어, 제1 대물렌즈 (200a)는 제1 매질 챔버 (122a)와 함께 정렬될 수 있고, 제2 대물렌즈 (200b)는 제2 매질 챔버 (122b)와 함께 정렬될 수 있고, 제3 대물렌즈 (200c)는 제3 매질 챔버 (122c)와 함께 정렬될 수 있다. 일부 경우에, 다중 매질 챔버는 다중 웰 플레이트 (300)의 웰일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 대물렌즈 (200a), 제2 대물렌즈 (200b), 및 제3 대물렌즈 (200c)는 동일한 조직 구조체의 투영을 전달할 수 있다. 다른 경우에, 레이저 빔 투영은 웰마다 상이할 수 있다. 제1 대물렌즈 (200a), 제2 대물렌즈 (200b)(도 10에는 제시되지 않음), 및 제3 대물렌즈 (200c)(도 10에는 제시되지 않음)는 도 10에 도시된 바와 같이, x 및 y 방향으로 다중 웰 플레이트 (300) 상에서 이동하여 각 웰로 레이저 빔 투영을 전달하도록 프로그래밍될 수 있다. 대안적으로, 다중 웰 플레이트 (300)가 x 및 y 방향으로 이동하는 동안, 대물렌즈는 고정된 상태로 유지될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 예를 들어, 3개의 대물렌즈를 갖는 직렬 어레이는 6개의 웰 플레이트에서 조직을 2 단계로: 3개의 조직 구조체를 동시에, 그리고, 이어서, 추가로 3개의 조직 구조체를 동시에 프린팅할 수 있다. 적어도 약 96개의 웰 내지 약 394개 이상의 웰을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 임의 개수의 웰을 갖는 플레이트가 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 제1 매질 챔버 (122a)를 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 하나의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 4개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 6개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 8개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 12개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 24개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 48개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 96개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 384개의 웰을 포함할 수 있다. 다중 웰 플레이트 (300)는 적어도 1,536개의 웰을 포함할 수 있다. 본원에 기술된 실시양태에서, 더 큰 공간을 프린팅하기 위해, 현미경 스테이지는 이동할 수 있고/거나, 현미경 헤드는 이동할 수 있고/거나, 프린팅 대물렌즈에 부착된 연관된 광섬유 케이블은 이동할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
3차원 매트릭스를 프린팅하는 방법
본 개시내용은 3차원 세포 함유 매트릭스를 프린팅 및 사용하는 방법 및 시스템을 제공한다. 한 측면에서, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법은 (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 이어서, 본 방법은 컴퓨터 메모리에서 3D 세포 함유 의료 장치를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 (i) 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 본 방법은 3D 세포 함유 매트릭스를 대상체에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법은 (i) 복수의 세포를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하는 단계, 및 (ii) 3D 세포 함유 매트릭스를 대상체에 배치하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법은 제1 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 제1 매질은 제1 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 이어서, 본 방법은 컴퓨터 메모리에서 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 제1 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제1 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 부분을 형성하게 만드는 단계를 포함한다. 이어서, 본 방법은 매질 챔버에 제2 매질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것일 수 있다. 이어서, 본 방법은 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 제2 부분을 형성하게 만드는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 본 방법은 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 및 제2 부분을 대상체에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법은 (i) 제1 복수의 세포 및 제2 복수의 세포를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하는 단계를 포함한다. 제1 복수의 세포는 제2 복수의 세포와 상이할 수 있다. 이어서, 본 방법은 (ii) 3D 세포 함유 매트릭스를 대상체에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 도 23-25에 제시된 바와 같은 폐포 구조체일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 도 16-22에 제시된 바와 같은 네프론 구조체일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 도 28에 제시된 바와 같은 모세혈관 구조체일 수 있다. 예를 들어, 3D 세포 함유 매트릭스는 모세혈관상, 혈관상, 미세 혈관 그룹일 수 있다. 일부 예에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 직경 및 길이가 대략 미크론인 관으로 이루어진 그룹일 수 있다. 일부 예에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 직경 및 길이가 대략 미크론인 관으로 이루어진 그룹일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스의 직경은 적어도 약 1 미크론(㎛) 내지 약 10 ㎛ 범위일 수 있다.
본 개시내용은 세포를 함유하지 않는 3차원 매트릭스를 프린팅 및 사용하는 방법 및 시스템을 제공한다. 세포를 함유하지 않는 3차원 매트릭스는 본원 다른 곳에서도 기술된 바와 같은 3D 세포 함유 매트릭스와 동일한 구조, 크기, 및 물리적 특징을 가질 수 있다.
또 다른 측면에서, 3D 세포 함유 매트릭스는 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성할 수 있다. 이식편은 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직로 구성된 목록으로부터 선택될 수 있다.
복수의 세포는 대상체로부터의 것일 수 있다. 본 방법의 복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 목록으로부터 선택될 수 있다.
복수의 세포는 추가로 나이브 B 세포 또는 다른 미성숙 B 세포, 메모리 B 세포, 형질 B 세포, 헬퍼 T 세포 및 상기의 부분집합, 효과기 T 세포 및 상기 CD+8 T 세포, CD4+ T 세포, 조절 T 세포, 자연 살해 T 세포, 나이브 T 세포 또는 다른 미성숙 T 세포의 부분집합, 수지상 세포 및 상기의 부분집합, 여포 수지상 세포, 랑게르한스 수지상 세포, 진피 유래 수지상 세포, 수지상 세포 전구체, 단핵구 유래 수지상 세포, 단핵구 및 상기 대식세포의 부분집합 및 상기의 부분집합, 백혈구 및 상기의 부분집합으로부터 선택될 수 있다. B 세포는 나이브 B 세포, 성숙 B 세포, 형질 B 세포, B1 B 세포 및 B2 B 세포로 구성된 목록으로부터 선택될 수 있다. T 세포는 CD8+ 및 CD4+로 구성된 목록으로부터 선택될 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 약 1 마이크로미터(㎛) 내지 약 10 센티미터(cm)일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 5 ㎛ 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 10 ㎛ 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 100 ㎛ 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 500 ㎛ 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1,000 ㎛ 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1 cm 내지 약 10 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 약 적어도 5 내지 약 10 cm 이상일 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 약 1 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1 ㎛일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 최대 약 1,000 ㎛일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛. The 3D 세포 함유 매트릭스 may be 약 1 ㎛, 약 5 ㎛, 약 10 ㎛, 약 100 ㎛, 또는 약 1,000 ㎛일 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.5 cm 내지 약 10 cm일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 0.5 cm일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 최대 약 10 cm일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.5 cm 내지 약 1 cm, 약 0.5 cm 내지 약 2 cm, 약 0.5 cm 내지 약 3 cm, 약 0.5 cm 내지 약 4 cm, 약 0.5 cm 내지 약 5 cm, 약 0.5 cm 내지 약 6 cm, 약 0.5 cm 내지 약 7 cm, 약 0.5 cm 내지 약 8 cm, 약 0.5 cm 내지 약 9 cm, 약 0.5 cm 내지 약 10 cm, 약 1 cm 내지 약 2 cm, 약 1 cm 내지 약 3 cm, 약 1 cm 내지 약 4 cm, 약 1 cm 내지 약 5 cm, 약 1 cm 내지 약 6 cm, 약 1 cm 내지 약 7 cm, 약 1 cm 내지 약 8 cm, 약 1 cm 내지 약 9 cm, 약 1 cm 내지 약 10 cm, 약 2 cm 내지 약 3 cm, 약 2 cm 내지 약 4 cm, 약 2 cm 내지 약 5 cm, 약 2 cm 내지 약 6 cm, 약 2 cm 내지 약 7 cm, 약 2 cm 내지 약 8 cm, 약 2 cm 내지 약 9 cm, 약 2 cm 내지 약 10 cm, 약 3 cm 내지 약 4 cm, 약 3 cm 내지 약 5 cm, 약 3 cm 내지 약 6 cm, 약 3 cm 내지 약 7 cm, 약 3 cm 내지 약 8 cm, 약 3 cm 내지 약 9 cm, 약 3 cm 내지 약 10 cm, 약 4 cm 내지 약 5 cm, 약 4 cm 내지 약 6 cm, 약 4 cm 내지 약 7 cm, 약 4 cm 내지 약 8 cm, 약 4 cm 내지 약 9 cm, 약 4 cm 내지 약 10 cm, 약 5 cm 내지 약 6 cm, 약 5 cm 내지 약 7 cm, 약 5 cm 내지 약 8 cm, 약 5 cm 내지 약 9 cm, 약 5 cm 내지 약 10 cm, 약 6 cm 내지 약 7 cm, 약 6 cm 내지 약 8 cm, 약 6 cm 내지 약 9 cm, 약 6 cm 내지 약 10 cm, 약 7 cm 내지 약 8 cm, 약 7 cm 내지 약 9 cm, 약 7 cm 내지 약 10 cm, 약 8 cm 내지 약 9 cm, 약 8 cm 내지 약 10 cm, 또는 약 9 cm 내지 약 10 cm일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 약 0.5 cm, 약 1 cm, 약 2 cm, 약 3 cm, 약 4 cm, 약 5 cm, 약 6 cm, 약 7 cm, 약 8 cm, 약 9 cm, 또는 약 10 cm일 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 5 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 10 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 50 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 100 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1,000 ㎛ 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 0.5 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 1 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 5 cm 이상일 수 있다. 3D 세포 함유 매트릭스는 적어도 약 10 cm 이상일 수 있다.
복수의 세포 및 하나 이상의 중합체 전구체로 이루어진 매질을 포함하는 매질 챔버는 적어도 약 0.1 세제곱 나노미터의 부피를 포함할 수 있다. 매질 챔버는 적어도 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 세제곱 나노미터 이상의 부피를 포함할 수 있다. 매질 챔버는 최대 약 1x1020, 1x1020, 1x1019, 1x1018, 1x1017, 1x1016, 1x1015, 1x1014, 1x1013, 1x1012, 1x1011, 1x109, 1x108, 1x107, 1x106, 1x105, 1x104, 1,000, 100, 90, 80, 70, 60 세제곱 나노미터 이하의 부피를 포함할 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스는 혈관구조 또는 신경의 성장을 촉진시키는 작용을 포함할 수 있다. 제제는 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 통증 완화제, 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체 및 줄기 세포 증식제로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 제1 복수의 세포 및 제1 복수의 중합체 전구체를 포함하는 제1 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함하는, 하나 이상의 3D 세포 함유 매트릭스를 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리로부터 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제1 매질로 유도시켜 제1 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 제2 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다. 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 복수의 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형일 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 및 제2 부분을 하나 이상의 면역학적 단백질 생산을 자극하는 데 충분한 조건에 가하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 하나 이상의 면역학적 단백질을 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 및 제2 부분으로부터 추출하도록 추가로 프로그래밍될 수 있다.
3D 세포 함유 매트릭스 또는 장치를 프린팅하는 데 사용될 수 있는 물질은 분해성 중합체, 비분해성 중합체, 생체적합성 중합체, 세포외 기질 성분, 생체흡수성 중합체, 하이드로겔, 또는 그의 임의 조합을 포함한다. 생체흡수성 중합체의 비제한적인 예로 폴리에스테르, 폴리아미노산, 폴리안하이드라이드, 올리오르토에스테르, 폴리우레탄, 및 폴리카보네이트를 포함한다. 생체적합성 중합체의 비제한적인 예로는 콜라겐, 히알루론산 및 다른 글리코사미노글리칸, 폴리-dl-락틱-코-글리콜산(PLGA), 폴리-1-락트산(PLLA), 폴리글리콜산(PGA), 알기네이트, 젤라틴, 아가, 또는 그의 조합을 포함한다. 생체적합성 중합체는 세포외 기질 성분을 포함할 수 있다. 세포외 기질 성분의 비제한적인 예로는 프로테오글리칸, 예컨대, 헤파란 술페이트, 콘드로이틴 술페이트, 및 케라탄 술페이트, 비프로테오글리칸 다당류, 예컨대, 히알루론산, 콜라겐, 및 엘라스틴, 피브로넥틴, 라미닌, 니도겐, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 이들 세포외 기질 성분은 다광자 여기에 의해 직접 또는 하나 이상의 화학적 도핑제의 다광자 여기에 의해 유도된 가교 결합을 촉진시키기 위해 아크릴레이트, 디아크릴레이트, 메타크릴레이트, 신나모일, 쿠마린, 티민, 또는 다른 측기 또는 화학적 반응성 모이어티로 관능화될 수 있다. 일부 경우에서, 광중합형 마크로머 및/또는 광중합형 단량체는 세포외 기질 성분과 함께 세포 함유 구조체를 생성하는 데 사용될 수 있다. 광중합형 마크로머의 비제한적인 예로는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 아크릴레이트 유도체, PEG 메타크릴레이트 유도체, 및 폴리비닐 알콜(PVA) 유도체를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 세포 함유 구조체를 생성하는 데 사용되는 콜라겐은 원섬유성 콜라겐, 예컨대, 타입 I, II, III, V, 및 XI 콜라겐, facit 콜라겐, 예컨대, 타입 IX, XII, 및 XIV 콜라겐, 단쇄 콜라겐, 예컨대, 타입 VIII 및 X 콜라겐, 기저막 콜라겐, 예컨대, 타입 IV 콜라겐, 타입 VI 콜라겐, 타입 VII 콜라겐, 타입 XIII 콜라겐, 또는 그의 임의 조합일 수 있다.
생체적합성 중합체는 합성되고, 포유동물 조직에는 천연의 것이 아니고, 생물학적 물질과 합성 물질의 하이브리드를 포함하는 다른 중합형 단량체를 포함할 수 있다. 생체적합성 중합체는 광개시제를 포함할 수 있다. 광개시제의 비제한적인 예로는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), 벤조인 유도체, 벤지케탈, 하이드록시알킬페논, 아세토페논 유도체, 트리메틸롤프로판 트리아크릴레이트(TPT), 아크릴로일 클로라이드, 벤조일 퍼옥시드, 캄포퀴논, 벤조페논, 티오크산톤, 및 2-하이드록시-1-[4-(하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로파논을 포함할 수 있다. 하이드록시알킬페논은 4-(2-하이드록시에틸에톡시)-페닐-(2-하이드록시-2-메틸 프로필) 케톤(Irgacure® 295), 1-히드록시사이클로헥실-1-페닐 케톤(Irgacure® 184) 및 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(Irgacure® 651)을 포함할 수 있다. 아세토페논 유도체는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(DMPA)을 포함할 수 있다. 티오크산톤은 이소프로필 티오크산톤을 포함할 수 있다.
일단 설치되고 나면, 장치는 2 조각의 조직을 함께 결합시킬 수 있고, 세포는 장치 내로 또는 밖으로 이동할 수 있고, 국소적으로 다른 세포와 상호작용하여 세포 함유 바이오 재흡수성 장치 주변 또는 그 내부에서 치유 및 조직 리모델링을 촉진시킬 수 있다. 세포 함유, 바이오 재흡수성 의료 장치는 임의 길이 또는 너비의 봉합사, 스테이플, 임의 길이 또는 너비의 스텐트, 로킹 또는 압축성일 수 있는 클립, 임의 형상 및 크기의 패치 및 이식편, 및/또는 살아있는 대상체에서 사용하고자 하는 의도의 유사 구조체일 수 있다. 임의 형상 및 크기의 단일층 또는 다중층 패치 및 이식편은 조직 발생을 촉진시키고/거나, 조직 기능을 증강시키고/거나, 치유를 위해서 다중의 상이한 세포 유형으로부터 생성될 수 있다. 이식편은 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 망막 조직, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
홀로그래픽 방식으로 프린팅된 이식편 및 패치는 다양한 형상, 예컨대, 제한하는 것은 아니지만, 장방형, 직사각형, 타원형, 임의의 다른 다각형 형상, 또는 손상 또는 질환 부위를 치료 또는 보강하는 데 요구되는 임의의 무정형 형상을 포함할 수 있다.
일부 장치의 구조적 완전 무결성을 증진시키기 위해, 3차원으로 프린팅된 물질은 더 두껍거나, 또는 더 조밀할 수 있고, 모든 부위에 세포를 함유하지 않을 수도 있다. 프린팅되었을 때 세포는 세포를 제자리에 그대로 유지시키기 위해, 또는 세포가 원래 프린팅되었던 부위로부터 이동하여 그 자신의 층 내에 있는 다른 세포, 차후에 또는 앞서 프린팅된 층 중의 세포와, 또는 그가 최종적으로 임플란트되는 천연 조직 내의 세포와 상호작용할 수 있도록 임의 크기의 개구부에 포획된다. 세포는 세포가 발생 프로세스 동안 개구부를 통해 이동할 수 있도록 또는 제자리에 포획될 수 있도록 하는 크기 또는 밀도의 임의 개구부의 메쉬 네트워크, 격자, 매트릭스, 골격 내에 캡슐화, 내장, 포획 또는 함유된다. 이는 더욱 큰 구조적 구성물의 기본 성분을 구성한다.
반드시 이식 부위에 의존해야 하는 것은 아닌 증강 또는 독립적인 생리 기능을 할 수 있는 기능성 부분 기관 또는 오르가노이드를 생성하는 데 3차원 리소그래피가 사용될 수 있다.
기능 증강 또는 대체를 위한 조직의 비제한적인 예로는 신장 또는 신장 조직의 생성 모델, 폐 조직 또는 부분 또는 전체 폐엽 및 그 안의 생성 모델, 신경 조직, 췌장 조직, 인슐린 생산 베타 섬 및 연관 조직, 갑상선 조직, 비장 조직, 간 조직, 장관 조직을 포함한다. 열거된 조직은 모두 반드시, 큰 혈관구조 및 작은 혈관구조 뿐만 아니라, 림프계 배출 시스템 및 모든 연관 중공 구조, 및 신경을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 기능 능력을 부여하는 필요한 모든 구조적 성분 및 보조 세포, 및 또는 기능 능력을 부여하는 데 필요한 면역 세포를 포함한다.
일부 실시양태에서, 프린팅된 신장 생성 모델은 본원에 개시된 방법에 의해 생성된다. 뇨 집합관, 뇨 집합관 주변의 혈관화된 및 조밀 조직, 및 신장 캡슐을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 신장의 기본 구조 성분은 별개의 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일로 분리될 수 있고, 자동화된 컴퓨터 제어 프로그램 (1101)을 이용하여 순차적이되, 필요한 임의 순서로 프린팅될 수 있다. 프린팅은 컴퓨터 파일을 레이저 프린팅 시스템 (110)에 신호전달함으로써 달성될 수 있고, CAD 파일을 모방하는 구조체가 순차적이되, 필요한 순서로 바이오겔 및 매질 챔버(122) 내로 증착될 수 있다.
이식을 위해 3차원으로 프린팅된 구조체는 부피가 약 1 미크론 내지 수십 센티미터 이상일 수 있다. 복합 조직 구조체, 예컨대, 폐의 표면적은 수 제곱미터를 차지하고, 따라서, 프린팅된 큰 기관의 외부 크기는 기능적 단위의 표면적과는 반드시 상이할 것이다. 그러므로, 본원에서 제공된 방법 및 시스템은 기능적 크기 및 표면적 대 부피의 비가 생리적 범위 내에 있는 모든 구조적 성분을 커버하도록 디자인될 수 있다.
레이저 기반 홀로그래피는 공간 광 변조기 또는 디지털 미러 장치에 의해 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일로부터 투영된 세트 패턴으로 바이오매트릭스 물질을 거의 동시에 중합화하는 데 사용될 수 있다. 다중 프린팅 단계 및 위치가 전체 생성 모델을 구축하는 데 요구될 수 있다.
세포는 미분화, 부분적 분화, 완전 분화를 비롯한, 유전적으로 또는 표현형상 임의의 분화 상태일 수 있다. 분화 상태의 예로는 만능성 줄기 세포, 전능성 줄기 세포를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 세포는 자가조직 세포, 매칭되는 기증자, 제대혈 또는 확립된 세포주로부터 공급된 것일 수 있다. 동일한 및/또는 상이한 분화 상태의 다중 세포 유형이 단일 프린팅 층 및/또는 다중 반복 프린팅 층 내에서 사용될 수 있다. 세포는 광학식 스위치 기술, 클러스터링된 규칙적 간격의 짧은 회문 반복부(CRISPR: clustered regularly interspaced short palindromic repeat) 기술, 바이러스 도입, 또는 다른 유전자 조작 접근법을 통해 프린팅 프로세스 이전, 그 동안, 및 그 이후에 유전적으로 조작될 수 있다. 유전자 조작은 핵 DNA로 제한되지 않고, 미토콘드리아 DNA 또는 자유 부동 플라스미드 또는 핵 DNA 내로의 도입을 위해 의도되지 않는 바이러스 DNA를 포함할 수 있다.
프린팅된 구조체는 고밀도로, 또는 한쪽으로 치우친 세포 밀도로 또는 장치의 특정 부위에서 세포 확장 또는 니치 발생을 촉진시키는 제어된 세포 밀도인 것을 비롯한, 가변적 밀도로 세포를 포함할 수 있다. 필요한 조직 생성물에 따라 고밀도 또는 저밀도가 사용될 수 있다. 낮은 세포 밀도는 프린팅된 물질 1 세제곱 센티미터당 10,000개의 세포 정도로 낮고, 프린팅된 물질 1 세제곱 센티미터당 10억 개의 세포 정도로 높을 수 있다. 세포는 한가지 유형이거나, 또는 혼합된 것일 수 있고, 프린팅은 다중 층에서 수행될 수 있다.
바이오프린팅 물질은 미세혈관구조를 비롯한 혈관구조, 및 신경의 프린팅된 구조체로 또는 주변 천연 구성물로의 성장을 촉진시키는 것으로 의도된 제제를 함유할 수 있다. 상기 제제는 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 또는 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체, 및/또는 줄기 세포 증식제를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
본 개시내용은 3차원(3D) 매트릭스를 사용하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 한 측면에서, 3차원(3D) 매트릭스를 사용하는 방법은 a) 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 이어서, 본 방법은 b) 컴퓨터 메모리에서 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시키는 단계를 포함한다. 이는 적어도 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 부분을 형성할 수 있다. 이어서, 본 방법은 매질 챔버에 제2 매질을 제공하는 단계로서, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것인 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 본 방법은 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 제2 부분을 형성하게 만드는 단계를 포함한다. 이어서, 본 방법은 e) 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 및 제2 부분을 대상체에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시내용은 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법을 제공한다. 한 측면에서, 본 방법은 (i) 제1 복수의 세포 및 제2 복수의 세포를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하는 단계로서, 여기서, 제1 복수의 세포는 제2 복수의 세포와 다른 것인 단계, 및 (ii) 3D 세포 함유 매트릭스를 대상체에 배치하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 복수의 세포 및 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함하는, 하나 이상의 3D 세포 함유 매트릭스를 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 시스템은 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리로부터 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 하나 이상의 면역학적 단백질 생산을 자극하는 데 충분한 조건에 가하도록 프로그래밍될 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 하나 이상의 면역학적 단백질을 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부로부터 추출하도록 추가로 프로그래밍될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 측면은 제1 복수의 세포 및 제1 복수의 중합체 전구체를 포함하는 제1 매질을 함유하도록 구성된 매질 챔버를 포함하는, 하나 이상의 3D 세포 함유 매트릭스를 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버로 유도시키도록 구성된 적어도 하나의 에너지원을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 에너지원에 작동적으로 결합된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서, 여기서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 컴퓨터 메모리로부터 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어를 수신하도록 프로그래밍된다. 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제1 매질로 유도시켜 제1 중합체 전구체 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍된다. 하나 이상의 프로세서는 개별적으로 또는 일괄적으로 적어도 하나의 에너지원이 적어도 하나의 에너지 빔을 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 매질 챔버 중의 제2 매질로 유도시켜 매질 챔버 중의 제2 매질 중 적어도 일부가 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 제2 부분을 형성하게 지시하도록 프로그래밍될 수 있고, 여기서, 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 복수의 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 제2 복수의 세포는 상기 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것이다.
한 측면에서, 본 개시내용은 기관 및/또는 오르가노이드를 프린팅하는 방법을 제공한다. 본 방법은 레이저 광원에 의해 광중합형 물질을 중합화하는 단계를 포함할 수 있다. 기관 및/또는 오르가노이드는 2차원 또는 3차원일 수 있다. 기관 및/또는 오르가노이드는 림프절일 수 있다. 오르가노이드는 랑게르한스 섬일 수 있다. 오르가노이드는 모낭일 수 있다. 기관 및/또는 오르가노이드는 종양 및/또는 종양 스페로이드일 수 있다. 오르가노이드는 신경 다발일 수 있고, 위성 세포, 후각 초성 세포, 장 신경아교세포, 희소돌기아교세포, 성상아교세포 및/또는 미세아교세포를 비롯한 비롯한, 신경아교 세포를 지지할 수 있다. 오르가노이드는 네프론일 수 있다. 오르가노이드는 폐포일 수 있다. 오르가노이드는 간 오르가노이드일 수 있다. 오르가노이드는 장 움일 수 있다. 기관 및/또는 오르가노이드는 1차 림프양 기관, 2차 림프양 기관, 예컨대, 비장, 간, 췌장, 담낭, 맹장, 뇌, 소장, 대장, 심장, 폐, 방광, 신장, 뼈, 달팽이관, 난소, 흉선, 기도, 각막, 심장 판막, 피부, 인대, 건, 근육, 갑상선, 신경, 및/또는 혈관일 수 있다.
본원에 개시된 프린팅 프로세스를 통한 기관 또는 오르가노이드의 조직화는 적어도 약 1, 10, 50, 100, 200, 300, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 10,000, 100,000, 1,000,000개 이상의 세포 층을 필요로 할 수 있거나, 또는 그의 순차적 증착에 의해 구현될 수 있다. 프린팅 프로세스를 통한 림프양 기관의 조직화는 1 내지 100개의 세포 층을 필요로 할 수 있거나, 또는 그의 순차적 증착에 의해 구현될 수 있다. 세포 층의 크기는 조직에 의존할 수 있다. 세포 층의 크기는 1 세포 층일 수 있거나, 또는 다중 세포 층을 포함할 수 있는 더 큰 3차원 구조체를 포함할 수 있다. 세포 층은 약 적어도 10, 102,103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 1010개 이상의 세포를 포함할 수 있다. 다른 것과 비교하여 각 세포 유형이 정확한 배치가 바람직한 경우, 세포는 앞서 사용된 매질을 제거하기 위해서 단계 중간에 세척 단계를 포함하면서 순차적 단계로 프린팅되어야 한다. 대안적으로, 상이한 중합화 파장 및 공극 크기의 두 광중합형 물질을 이용하여 크기가 상이한 2개 이상의 세포 유형이 동시에 프린팅될 수 있고, 이로써, 더 큰 세포 유형이 크기가 더 큰 공극에 캡슐화될 수 있고, 더 작은 세포 유형은 크기가 더 작은 공극에 캡슐화될 수 있다. 세포 골격이 이용가능한 공간에 기초하여 리모델링될 수 있기 때문에, 세포는 그의 핵 크기에 따라 공극에 캡슐화된다.
레이저 광원은 광중합형 물질의 중합화를 유도하기 위해 고에너지 녹색, 청색, 백색, 또는 더 낮은 주파수의 자외선을 사용할 수 있거나, 또는 임의 파장의 고해상도 다광자 광원이 이용될 수 있다. 고해상도, 비독성 다광자 투영 기술은 천연 B 세포 친화도 성숙을 반복하는 명 대역 및 암 대역의 발생을 허용하는 상세한 배 중심을 프린팅하도록 고유한 방식으로 적합화된다. 이러한 방법은 기능성 콜라겐 기반 기관 및/또는 오르가노이드, 예컨대, 림프절 오르가노이드를 생성하기 위해 림프성인지 또는 순환인지 여부와 상관 없이 혈관구조의 미세유체 조작과 함께 조합하여 사용될 수 있다. 가시 광선 및 자외선 광선의 비독성 파장은 대안적으로 세포 함유 구조체 또는 세포와 함께 시딩하고자 하는 바이오겔을 프린팅하는 데 사용될 수 있다.
본 개시내용은 에너지원 (1000)(즉, 레이저, 특히, 고해상도 다광자 레이저 빔 뿐만 아니라, 다른 가능한 광원도 포함)으로부터의 레이저 빔 (1002)의 2차원 또는 3차원 투영에 의한 기관 또는 오르가노이드의 프린팅을 포함한다. 레이저 빔 (1002)은 미리 정의된 패턴으로 세포 함유 매질 (126)이 중합화되어 구조 또는 기능이 유사한 최종 생성물, 천연, 특히 인간 기관 또는 오르가노이드를 생성하도록 유도하도록 의도된다. 본원에서 인간 기관 및 오르가노이드는 예컨대, 가스 교환, 또는 유체, 예컨대, 제한하는 것은 아니지만, 생물학적 유체 여과와 같은 기능성 및 완전한 생물학적 반응을 증가시킬 수 있고, 그를 수행할 수 있는, 작은, 완전히 기능성이, 면역 세포 함유 구조체로서 정의된다.
세포가 네트워크 내에서 프린팅되는 경우, 네트워크는 망상, 무정형, 또는 조직화된 네트로 배열될 수 있다. 조직화된 네트는 반복된 기하학적 패턴 또는 육각형, 정사각형/직사각형, 마름모꼴, 원형, 반원형, 구형, 반구형 또는 그 형상의 임의 조합을 비롯한 다른 패턴을 갖는 임의의 네트이다. 망상 또는 무정형 네트는 기하학적 패턴을 유의적으로 고려하지 않고, 신속하게 생성될 수 있고, 세포를 캡슐화 및 함유할 수 있도록 하는 것을 1차 목적으로 하여 생성된다. 추가로, 일부 네트는 정식 교육을 받지 않은 관찰자에게는 무정형인 것으로 보일 수 있지만, 사실상 이는 세포 니치 사이 또는 그 안에서의 세포 상호작용 또는 이동을 촉진시키도록 디자인된 특정 형상 또는 디자인을 가질 수 있다.
천연 구성물은 중합형 하이드로겔로의 투영을 위해, 영상화 데이터로부터 수득되고, 정의된 엣지, 및/또는 정확하게 정의되지 않지만, 지정된 범위 내의 어딘가에 포함되는 엣지인 회색 부위를 갖는 2차원 또는 3차원 영상으로 만들어질 수 있다.
다중 오르가노이드 단위는 단일 구조체 내에서 프린팅되어 더 큰 기관, 최대 완전한 크기의 기관까지 포함하여, 그를 생성할 수 있다. 다중 오르가노이드 단위는 단일 구조체 내에서 프린팅되어 더 큰 기관, 최대 완전한 크기의 네프론 또는 폐포까지 포함하여, 그를 생성할 수 있다. 크기에 대한 제한 인자는 혈관화로서, 이는 대부분의 가스 및 영양소의 확산 한계에 기인하여 너비가 200 미크론보다 더 큰 조직인 경우에는 필수적인 것이다. 완전한 기관 또는 오르가노이드는 혈관화되지 않은 경우, 두께가 50 내지 200 미크론일 수 있다. 혈관화되었다면, 조직 두께는 50 미크론 내지 10 cm일 수 있고, 임의 형상 또는 크기의 것일 수 있고, 순환 및 림프관 맥관구조, 둘 모두를 함유할 수 있다. 혈관구조는 판막 및/또는 괄약근을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 혈관구조는 천연 미세혈관구조와 흡사하도록 의도된 네트 내에서 내피 세포 또는 그의 전구체를 프린팅함으로써 달성될 수 있고, 그의 구조는 고해상도 영상화 데이터로부터 수득된다. 모세혈관상은 관련된 해부학적 구조에 따라 더 큰 소동맥 및 동맥으로부터 분지되어 세정맥 및 정맥으로 분지될 수 있다.
한 측면에서, 본 개시내용은 예컨대, 네프론 구조체, 폐포 구조체, 및/또는 모세혈관 구조체와 같은 3D 매트릭스 집단을 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법은 매질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 매질은 복수의 세포 및 하나 이상의 중합체 전구체를 포함할 수 있다. 중합체 전구체는 바이오겔 전구체일 수 있다. 본 방법은 적어도 하나의 매질 층을 기재 상에 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 기재는 매질 챔버일 수 있다. 기재는 조직 배양 플레이트 또는 웰일 수 있다. 기재는 미세유체 챔버일 수 있다. 기재는 미세유체 칩일 수 있다. 기재는 중합체 스캐폴드일 수 있다.
본 방법은 적어도 하나의 매질 층에 에너지원을 가하여 3D 매트릭스의 적어도 일부 및 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 바이오겔을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 3D 매트릭스는 적어도 복수의 세포의 부분집합을 포함할 수 있다. 대안적으로, 추가의 또 다른 예에서, 3D 매트릭스는 복수의 세포를 포함하지 않을 수 있다. 본 방법은 3차원(3D) 투영에 따라 패턴화되는 매질의 한 층 한 층 증착을 포함할 수 있다. 3D 투영은 컴퓨터 메모리에서 3D 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따르는 것일 수 있다. 3차원(3D) 투영에 따라 패턴화되는 매질의 한 층 한 층 증착 및 바이오겔 형성은 매질에 에너지원(예컨대, 레이저)을 가함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 레이저는 매질 중 중합체 전구체를 중합화하고, 복수의 세포 및 바이오겔을 포함하는 3D 매트릭스의 적어도 일부를 형성하도록 하기 위해 3D 투영에 따라 광 경로를 따라서 투사될 수 있다. 또 다른 측면에서, 본 방법은 매질의 적어도 하나의 미세소적을 기재 상에 증착시키기 위하여 피펫 또는 모세관을 이용하여 매질을 수동으로 한 층 한 층 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 예에서, 프린팅하고자 하는 패턴을 포함하는 3D 투영은 필요하지 않을 수도 있고, 일단 증착되고 나면, 바이오겔 및 복수의 세포를 포함하는 3D 매트릭스의 적어도 일부를 형성하기 위해서는 오히려 매질의 미세소적에 에너지원(예컨대, 열 또는 광원)이 가해질 수 있다. 추가의 또 다른 측면에서, 본 방법은 미세유체 장치를 사용하여 매질을 한 층 한 층 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 미세유체 장치는 한 층 한 층 방식으로 기재 상에 증착되는 매질 미세소적의 총 부피를 제어할 수 있다. 미세유체 장치는 한 층 한 층 방식으로 기재 상에 증착되는 각 매질 미세소적당 세포의 총 개수를 제어할 수 있다. 추가의 또 다른 측면에서, 본 방법은 프린터를 사용하여 매질을 한 층 한 층 증착시키는 것을 포함할 수 있다. 프린터는 레이저 프린터, 한 층 한 층 잉크젯 프린터(예컨대, 열 잉크젯 프린터 또는 압전 잉크젯 프린터), 한 층 한 층 압출 3D 프린터(예컨대, 공압 압출 바이오프린터 또는 기계식 압출 바이오프린터), 또는 그의 임의 조합일 수 있다. 매질의 미세소적은 세포가 기능성 다세포 조직 니치로 조직화될 수 있도록 다른 미세소적과 조합될 수 있다.
적층된 미세소적은 에너지원을 이용하여 또는 화학물질(예컨대, 가교제 또는 광개시제)을 통해 순차적으로 또는 동시에 경화, 융합, 고형화, 겔화, 가교결합, 중합화, 또는 광중합화될 수 있다. 에너지원은 에너지 빔, 열원, 또는 광원일 수 있다. 에너지원은 레이저, 예컨대, 섬유 레이저, 단파 레이저, 또는 펨토초 펄스 레이저일 수 있다. 에너지원은 열원, 예컨대, 열 플레이트, 램프, 오븐, 가열 수조, 세포 배양 인큐베이터, 가열 챔버, 전기로, 건조 오븐, 또는 그의 임의 조합일 수 있다. 에너지원은 광원, 예컨대, 백색광, 적외선, 자외선(UV) 광선, 근적외선(NIR) 광선, 가시 광선, 발광 다이오드(LED), 또는 그의 임의 조합일 수 있다. 에너지원은 음 에너지원, 예컨대, 초음파 프로브, 초음파발생장치, 초음파 배쓰, 또는 그의 임의 조합일 수 있다. 에너지원은 전자기 방사선원, 예컨대, 마이크로파원, 또는 그의 임의 조합일 수 있다.
매질은 바이오겔을 형성하기 위해 물리적으로 중합화될 수 있다. 매질은 바이오겔을 형성하기 위해 열원에 의해 중합화될 수 있다. 매질은 바이오겔을 형성하기 위해 화학적으로; 예를 들어, 가교제 사용에 의해 중합화될 수 있다. 가교제의 비제한적인 예로는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)-카보디이미드(EDC), 글루타르알데히드, 및 1-에틸-3-3-디메틸 아미노프로필 카보디이미드(EDAC)를 포함한다. 매질은 광개시제, 가교제, 콜라겐, 히알루론산 및 다른 글리코사미노글리칸, 폴리-dl-락틱-코-글리콜산(PLGA), 폴리-1-락트산(PLLA), 폴리글리콜산(PGA), 알기네이트, 젤라틴, 아가, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 바이오겔은 광개시제, 가교제, 콜라겐, 히알루론산 및 다른 글리코사미노글리칸, 폴리-dl-락틱-코-글리콜산(PLGA), 폴리-1-락트산(PLLA), 폴리글리콜산(PGA), 알기네이트, 젤라틴, 아가, 또는 그의 임의 조합을 포함할 수 있다. 중합체 전구체는 콜라겐, 히알루론산 및 다른 글리코사미노글리칸, 폴리-dl-락틱-코-글리콜산(PLGA), 폴리-1-락트산(PLLA), 폴리글리콜산(PGA), 알기네이트, 젤라틴, 아가, 또는 그의 임의 조합일 수 있다.
바이오겔은 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 생체적합성 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 중합체 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 하이드로겔 비드일 수 있다. 바이오겔은 하이드로겔 나노입자일 수 있다. 바이오겔은 하이드로겔 소적일 수 있다. 바이오겔은 하이드로겔 미세소적일 수 있다.
미세소적의 측정된 직경은 적어도 약 10 미크론(㎛) 내지 약 1,000 ㎛일 수 있다. 미세소적의 측정된 직경은 적어도 약 10 ㎛일 수 있다. 미세소적의 측정된 직경은 최대 약 1,000 ㎛일 수 있다. 미세소적의 측정된 직경은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 100 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 200 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 300 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 400 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 500 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 600 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 약 600 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 600 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 600 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 700 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 약 700 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 700 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 약 800 ㎛ 내지 약 900 ㎛, 약 800 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛, 또는 약 900 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛일 수 있다. 미세소적의 측정된 직경은 약 10 ㎛, 약 50 ㎛, 약 100 ㎛, 약 200 ㎛, 약 300 ㎛, 약 400 ㎛, 약 500 ㎛, 약 600 ㎛, 약 700 ㎛, 약 800 ㎛, 약 900 ㎛, 또는 약 1,000 ㎛일 수 있다.
미세소적의 부피는 약 1 마이크로리터(㎕) 내지 약 500 ㎕일 수 있다. 미세소적의 부피는 적어도 약 1 ㎕일 수 있다. 미세소적의 부피는 최대 약 500 ㎕일 수 있다. 미세소적의 부피는 약 1 ㎕ 내지 약 2 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 3 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 4 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 5 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 10 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 1 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 3 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 4 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 5 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 10 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 2 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 4 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 5 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 10 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 3 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 5 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 10 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 4 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 10 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 5 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 20 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 10 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 20 ㎕ 내지 약 25 ㎕, 약 20 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 20 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 20 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 20 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 25 ㎕ 내지 약 50 ㎕, 약 25 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 25 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 25 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 50 ㎕ 내지 약 75 ㎕, 약 50 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 50 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 약 75 ㎕ 내지 약 100 ㎕, 약 75 ㎕ 내지 약 500 ㎕, 또는 약 100 ㎕ 내지 약 500 ㎕일 수 있다. 미세소적의 부피는 약 1 ㎕, 약 2 ㎕, 약 3 ㎕, 약 4 ㎕, 약 5 ㎕, 약 10 ㎕, 약 20 ㎕, 약 25 ㎕, 약 50 ㎕, 약 75 ㎕, 약 100 ㎕, 또는 약 500 ㎕일 수 있다.
바이오겔은 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 점도가 적어도 약 1 x 10-3 파스칼-초 (Pa·s) 내지 약 100,000 Pa·s 범위인 용액일 수 있다. 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 바이오겔의 점도는 약 0.001 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s일 수 있다. 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 바이오겔의 점도는 적어도 약 0.001 Pa·s일 수 있다. 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 바이오겔의 점도는 최대 약 100,000 Pa·s일 수 있다. 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 바이오겔의 점도는 약 0.001 Pa·s 내지 약 0.01 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 0.1 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 1 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 10 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 100 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 0.001 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 0.1 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 1 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 10 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 100 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 0.01 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 1 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 10 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 100 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 0.1 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 10 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 100 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 1 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 10 Pa·s 내지 약 100 Pa·s, 약 10 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 10 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 10 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 10 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 100 Pa·s 내지 약 1,000 Pa·s, 약 100 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 100 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 100 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 1,000 Pa·s 내지 약 10,000 Pa·s, 약 1,000 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 1,000 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 약 10,000 Pa·s 내지 약 50,000 Pa·s, 약 10,000 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s, 또는 약 50,000 Pa·s 내지 약 100,000 Pa·s. 섭씨 약 25도(25℃)에서 측정되었을 때, 바이오겔의 점도는 약 0.001 Pa·s, 약 0.01 Pa·s, 약 0.1 Pa·s, 약 1 Pa·s, 약 10 Pa·s, 약 100 Pa·s, 약 1,000 Pa·s, 약 10,000 Pa·s, 약 50,000 Pa·s, 또는 약 100,000 Pa·s일 수 있다.
바이오겔은 복수의 세포를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 비드를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 나노입자를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 미세입자를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 나노로드를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 나노쉘을 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 리포솜을 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 나노와이어를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 복수의 비하이드로겔 나노튜브를 포함하는 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 그 중의 액체 성분이 물인 것인 겔일 수 있다. 바이오겔은 그 중의 물이 분산 매질인 것인 중합체 쇄의 네트워크일 수 있다. 중합체 쇄의 네트워크는 친수성 중합체 쇄의 네트워크일 수 있다. 중합체 쇄의 네트워크는 소수성 중합체 쇄의 네트워크일 수 있다. 바이오겔은 분해성 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 비분해성 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 재흡수성 하이드로겔일 수 있다. 바이오겔은 예컨대, 콜라겐과 같은 자연적으로 유래된 중합체를 포함하는 하이드로겔일 수 있다.
추가 적용
일부 예에서, 본원에서 제공된 방법 및 시스템은 3차원(3D) 비생물학적 구조체를 프린팅하는 데 사용된다. 3D 비생물학적 구조체는 "스마트" 필터일 수 있다. 3D 비생물학적 구조체는 바이오리액터 일 수 있다. 3D 비생물학적 구조체는 바이오필터일 수 있다. 본원에서 사용되는 바, "비생물학적 구조체"라는 용어는 살아있는 세포를 함유하지 않는 구조체를 지칭한다.
표면적 대 부피 변화가 화학 반응을 가속화 또는 저속화시킬 수 있고, 표면적 대 부피 비가 클수록 속도는 증가하고, 표면적 대 부피 비가 작을수록 속도는 감소된다. 표면적 대 부피 비가 증가된 것은 세포 성장을 위해 예컨대, 촉매 변환기 및 바이오리액터 와 같은 장치에서 사용된다. 세포 성장은 대개 산소 및 영양소의 효율적인 분포에 의존하며, 동시에 노폐물은 제거된다. 그러므로, 본원에 기술된 바와 같이, 3차원 다중 채널화 시스템은 세포 성장을 위해 개선된 효율을 제공한다.
복합 또는 다층 시스템의 재현가능한 얇은 벽 물질은 일관되게 생성하기 어렵다. 본 발명자들의 프로세스는 세포 분화 및 또는 확장을 위해 디자인된 스마트 필터, 바이오 여과, 및 바이오리액터 장치에서 다회 적용하여 반복적인 방식으로 얇은 물질로 된 층을 생성할 수 있다. 스마트 여과 또는 바이오 여과 시스템은 높은 표면적 대 부피 비가 상당한 도움이 되고, 화학적 프로세스, 예컨대, 삼투, 화학적 분리, 및 화학적 격리를 개선시킬 수 있다. 유사하게, 생물학적 프로세스, 예컨대, 세포 성장 및 발생에서, 가스 및 영양소 교환을 허용하는, 고도의 다공성 및 또는 높은 표면적 대 부피 비 구조는 세포 성장 및 발생을 개선시킨다.
3차원 리소그래피 또는 홀로그래픽 리소그래피를 이용한 물질 증착은 일관성 및 주변 표면적 대비 작은 모세혈관상의 표면적 대 부피 비를 개선시킨다. 홀로그래픽 리소그래피는 세포 발생 및 분열을 알리는 유속 및 전단력 변경을 허용하는 주어진 물질 또는 복합 채널 시스템에서 다양한 크기의 다수의 채널을 이용하여 구조체를 제조할 수 있다. 추가로, 화학적 분리 및 분포는 복합 채널 및 모세혈관 시스템에 의해 촉진될 수 있다. 이는 무작위 물질 증착 및 조직화에 기초하여 이들 필터를 구축하는 산업상 프로세스에 대한 개선을 나타내며, 이질성이 있을 수 있고/거나, 반복될 경우, 화학 반응을 필요로하는 여과, 분리 또는 시스템의 성능을 개선시키는 작은 형상에 대한 제어가 부족할 수 있다.
도 29A-29D는 본원에 기술된 방법 및 시스템을 이용하여 프린팅된 혈관을 보여주는 것이다. 도 29A는 혈관 (2901)의 3D 모델의 예를 보여주는 것이다. 혈관 (2901)은 지지 미세혈관구조 (2902)를 가질 수 있다. 혈관 (2901)은 적어도 부분적으로 하나 이상의 세포를 캡슐화함으로서 프린팅될 수 있다. 프린팅, 혈관에 하나 이상의 세포가 부가될 수 있다. 하나 이상의 세포는 작동가능한 혈관을 형성하기 위해 배양되도록 구성될 수 있다. 도 29B는 혈관 (2901)의 횡단면을 보여주는 것이다. 혈관은 내부 공간 (2903)을 가질 수 있다. 내부 공간의 직경은 적어도 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000, 1,500, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000, 6,000, 7,000, 8,000, 9,000 미크론 이상일 수 있다. 내부 공간의 직경은 최대 약 9,000, 8,000, 7,000, 6,000, 5,000, 4,000, 3,000, 2,000, 1,500, 1,000, 900, 800, 700, 600, 500, 400, 300, 200, 150, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 1 미크론 이하일 수 있다. 혈관의 내경은 상기 두 값에 의해 정의되는 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 혈관의 직경은 75 내지 150 미크론일 수 있다.
도 29C 및 29D는 프린팅되고, 배양된 혈관을 보여주는 것이다. 영상에서 조영은 폰 빌레브란트 인자(von Willebrand factor) 염색된 세포의 형광 강도에 의해 유발된 것일 수 있다. 스케일 바는 1 밀리미터일 수 있다.
도 30A-30B는 혈관구조 구조체 상에서 성장하는 세포를 보여주는 것이다. 스케일 바는 200 미크론일 수 있다. 혈관구조 구조체 (3001)는 본원 다른 곳에도 기술되어 있는 바와 같이 세포 성장을 촉진시키는 제제를 포함할 수 있다. 혈관구조 구조체는 하나 이상의 세포 (3002)의 성장을 위한 기재를 제공할 수 있다. 하나 이상의 세포는 대상체 내에서 천연 혈관구조의 기능성을 제공하도록 구성된 세포일 수 있다. 예를 들어, 동맥 세포는 대상체로부터 수거될 수 있고, 혈관구조 구조체 상에서 배양될 수 있고, 생성된 혈관은 대상체 내에 배치될 수 있다.
도 31A는 사구체 모세혈관 결절을 보여주는 것이다. 사구체 모세혈관 결절 (3101)의 모세혈관 벽 두께는 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 50, 75, 100 미크론 이상일 수 있다. 사구체 모세혈관 결절의 내경은 적어도 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 50, 75, 100 미크론 이상일 수 있다. 사구체 모세혈관 결절은 포유동물의 것과 유사한, 예컨대, 인간, 돼지, 개, 원숭이, 래트, 마우스 네프론 혈장 여과율과 유사한 혈장 여과율을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 31B는 보우만 주머니에 의해 둘러싸인 예시적인 사구체 모세혈관 결절을 보여주는 것이다. 사구체 결절 (3101)은 보우만 주머니 (3102)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 보우만 주머니 (3102)는 보우만 주머니의 내벽과 사구체 모세혈관 결절 사이의 거리가 세포 성장 및 출구 (3103)를 통한 신장 네프론의 근위관 내로의 여액 유동을 허용하도록 구성될 수 있다.
도 32A 및 32B는 근위관 및 사구체를 보여주는 것이다. 도 32A는 프린팅 프로세스 동안의 근위관 및 사구체의 예를 보여주는 것이다. 근위관 및 사구체는 본원 다른 곳에도 기술되어 있는 방법 및 시스템을 이용하여 프린팅될 수 있다. 도 32B는 프린팅 이후의 근위관 및 사구체의 예를 보여주는 것이다.
공제 프린팅 방법
한 측면에서, 본 개시내용은 공제 프린팅을 포함하는, 3D 구조체를 생성하기 위해 사용되는 방법 및 시스템을 제공한다. 일부 예에서, 공제 프린팅은 레이저 절삭이다. 일부 측면에서, 공제 프린팅은 3D 홀로그래픽 레이저 절삭이다.
물질의 표적화된 레이저 기반 절삭은 유용한 제조 프로세스이다. 채널, 공극, 홀 및 튜브는 레이저 절삭 프로세스를 이용하여 고체 물질에서 구축될 수 있다. 3차원 홀로그래픽 레이저 절삭은 종래 방법에 비하여 절삭 프로세스의 속도 및 해상도 증가를 비롯한 수많은 이점을 갖는다.
3차원 모델을 생성하는 방법 및 시스템
본 개시내용은 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법을 제공한다. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법은 (a) 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 서브유닛 및 관을 포함하는 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계; 및 (b) (a)로부터의 컴퓨터 모델을 이용하여 3D 구조체를 프린팅하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서, 3D 구조체는 대상체의 체내에 이식가능한 것이다.
본 개시내용은 또한 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법을 제공한다. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법은 컴퓨터 메모리에서 적어도 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 서브유닛 및 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하는 단계; 및 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 (a)에서 생성된 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시내용은 또한 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법을 제공한다. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체는 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계; 및 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 상기 3D 구조체를 프린터로 전송하여 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델에 따라 상기 3D 구조체를 프린팅하는 단계를 포함할 수 있고, 여기서, 상기 3D 구조체는 대상체의 체내에 이식가능한 것이다.
3D 구조체는 적어도 부분적으로 3D 모델에 기초하여 본원 다른 곳에서도 기술된 바와 같은 방법 및 시스템을 이용하여 프린팅될 수 있다. 3D 모델은 3D 구조체의 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 신장의 3D 모델은 신장의 3D 모델을 형성하기 위해 조합될 수 있는 네프론 슈퍼유닛을 형성하도록 다른 혈관구조와 조합된 사구체 서브유닛을 가질 수 있다. 3D 구조체는 3D 모델에 상응할 수 있다. 예를 들어, 복수의 모세혈관을 3D 모델에 첨가하는 것은 그가 프린팅될 때, 동일한 모세혈관을 3D 구조체에 첨가할 수 있다.
생물학적 물질은 동물 또는 인간에서 발견되는 생물학적 물질일 수 있다. 생물학적 물질은 본원 다른 곳에서도 기술된 바와 같은 기관 또는 오르가노이드(예컨대, 신장, 폐, 췌장, 갑상선)일 수 있다. 생물학적 물질은 혈관을 포함할 수 있다. 생물학적 물질의 서브유닛은 서브유닛(예컨대, 폐포, 사구체, 사구체 주위에 보우만 주머니를 갖는 사구체) 또는 다른 서브유닛(예컨대, 알려진 명칭이 없는 다량의 조직)으로 명명될 수 있다. 서브유닛은 기관 또는 오르가노이드의 것일 수 있다. 하나 이상의 서브유닛의 확인은 모세혈관 위치, 모세혈관 밀도, 림프관 위치, 림프관 밀도, 하나 이상의 세포의 장벽(예컨대, 동맥 벽)으로의 회합 등을 포함하는 인자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 신장 중 모세혈관 또는 다른 관의 농도를 확인하는 것은 네프론 기능성 단위의 존재를 나타낼 수 있다. 컴퓨터 모델을 생성하는 것은 적어도 부분적으로 서브유닛(예컨대, 사구체)에 결합된 관(예컨대, 모세혈관), 서브유닛(예컨대, 보우만 주머니)의 벽, 또는 그 둘 모두의 일반화된 위치를 이용하여 표면을 확인하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 결정하는 것은 적어도 부분적으로 서브유닛의 직경 근사치로부터 도출된 복수의 3차원 추정치를 사용하는 것, 또는 3D 구조체의 부피 산출치를 생물학적 물질의 예정된 부피 범위와 비교하여 표면적을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사구체의 모세혈관은 조직학적 샘플을 제조하는 프로세스에서 파괴될 수 있고, 이에, 조직학적 샘플에 남아있는 보이드를 사용하여 사구체 모세혈관 결절 크기 추정치가 생성될 수 있다. 또 다른 예에서, 산소 교환시 각 폐포의 효능을 고려하여, 폐의 총 표면적을 폐포 개수로 나누는 컴퓨터 기반 산출이 폐에서 폐포의 활성 표면적의 추정치를 제공할 수 있다. 또 다른 예에서, 일련의 상이한 부피의 사구체를 신장의 전체 크기 및 필요한 여과율에 대해 스크리닝할 수 있고, 부분적으로는 상기 기준에 기초하여 이상적인 부피를 선택할 수 있다. 관은 모세혈관일 수 있고, 본 방법은 혈액의 모세혈관의 부피와 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하는 것을 포함하는 모세혈관의 길이를 결정하는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 여기서, 서브유닛은 모세혈관에 결합한다. 예를 들어, 폐포의 크기를 알고, 모세혈관이 길이 1 mm에 걸쳐 공기 0.2 mL를 교환할 수 있다는 것을 안다면, 모세혈관의 길이는 원하는 교환 부피를 제공하도록 결정될 수 있다.
생물학적 기능은 기관의 전체 기능의 적어도 일부일 수 있다. 기능은 가스 교환일 수 있다. 예를 들어, 가스 확산막을 제공하는 것은 폐포의 기능이며, 이는 폐의 전체 기능 중 일부이다. 가스는 산소, 질소, 이산화탄소 등일 수 있다.
일부 경우에서, 기능은 대사 활성 화합물의 교환일 수 있다. 예를 들어, 신장은 농축 및 처리를 위해 혈류로부터 노폐물을 제거하기 위하여 일정 길이의 모세혈관인 혈관을 이용한다. 대사 활성 화합물은 영양소, 당, 염, 아미노산, 노폐물 화합물 등을 포함할 수 있다. 영양소는 비타민, 단백질, 지방, 미네랄 등일 수 있다. 당은 단당류(예컨대, 글루코스, 프럭토스), 이당류(예컨대, 락토스, 수크로스), 또는 다당류일 수 있다. 염은 영양소 염, 미네랄 염, 노폐물 염 등일 수 있다. 아미노산은 자연적으로 발생된 아미노산(예컨대, 아르기닌, 티로신) 또는 비천연 아미노산일 수 있다. 노폐물 화합물은 대상체에 의해 생성된 화합물(예컨대, 요산) 또는 외부 공급원(예컨대, 박테리아, 독소)으로부터의 화합물일 수 있다. 기능은 혈장 여과일 수 있다. 예를 들어, 네프론은 노폐물 및 독소를 혈액 혈장으로부터 여과할 수 있다.
기능은 하나 이상의 생물학적으로 관련된 물질을 생성하는 것일 수 있다. 생물학적으로 관련된 물질은 호르몬, 항체, 면역학적 단백질 등을 포함할 수 있다. 기능은 기관의 기능일 수 있다. 예를 들어, 폐 기능 결정은 예컨대, 폐의 일호흡량과 같은 특성을 포함할 수 있다. 본 방법은 적어도 부분적으로 서브유닛의 직경 근사치로부터 도출된 복수의 3D 추정치를 사용하는 것, 또는 3D 구조체의 부피 산출치를 생물학적 물질의 예정된 부피 범위와 비교하는 것 등을 포함할 수 있다. 부피는 폐에서 공기의 일호흡량을 포함할 수 있다. 부피는 폐에서 공기의 잔여량을 포함할 수 있다.
서브유닛은 서브유닛의 생물학적 기능과 관련된 특성을 가질 수 있고, 상기 특성은 서브유닛의 표면적을 결정하는 데 사용될 수 있다. 생물학적 물질의 하나 이상의 서브유닛의 특성은 서브유닛의 기능에 관한 것일 수 있다. 예를 들어, 혈중 영양소 및 노폐물을 교환시킬 수 있는 네프론의 능력은 네프론 내의 사구체내 모세혈관의 표면적에 의존할 수 있다. 상기 예에서, 표면적은 네프론 서브유닛의 특성이다. 특성은 표면적, 세포 밀도, 기능성 성분의 밀도 등일 수 있다. 특성은 복수의 특성을 포함할 수 있다. 특성은 서브유닛의 표면적을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 사구체의 모세혈관의 총 표면적은 교환이 필요한 영양소 및 노폐물의 양을 측정하고, 모세혈관 단위 표면적당 교환되는 영양소 및 노폐물로 나눔으로써 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 폐포 및 그의 회합된 모세혈관의 표면적은 교환이 필요한 가스의 양을 측정하고, 그를 주어진 단위 면적당 가스 교환으로 나눔으로써 결정될 수 있다.
특성은 하나 이상의 파라미터(예컨대, 모세혈관 밀도를 생성하는 컴퓨터 모델), 또는 상기 파라미터의 하나 이상의 추정치, 또는 그의 조합을 생성하는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 샘플(예컨대, 조직 슬라이드)로부터 특성을 측정함으로써 결정될 수 있다. 하나 이상의 파라미터는 여액 부피, 구조 크기 범위, 패킹 밀도, 총 부피 측정치 등일 수 있다. 여액 부피는 일정량의 물질을 액체 밖으로(예컨대, 혈액으로부터 노폐물 염을) 여과하는 데 필요한 부피일 수 있다. 구조 크기 범위는 서브유닛가 피팅되는 범위일 수 있다. 구조 크기 범위는 적어도 약 10 nm, 100 nm, 1 ㎛, 10 ㎛, 25 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛, 1 mm, 5 mm, 10 mm 이상일 수 있다. 구조 크기 범위는 최대 약 10 mm, 5 mm, 1 mm, 900 ㎛, 800 ㎛, 700 ㎛, 600 ㎛, 500 ㎛, 400 ㎛, 300 ㎛, 250 ㎛, 200 ㎛, 150 ㎛, 100 ㎛, 75 ㎛, 50 ㎛, 25 ㎛, 10 ㎛, 1 ㎛, 100 nm, 10 nm 이하일 수 있다. 구조 크기 범위는 상기 임의의 두 값으로부터의 범위일 수 있다. 예를 들어, 구조 크기 범위는 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 패킹 밀도는 적어도 한 형상의 밀도일 수 있다. 상기 기술된 구조 크기를 가질 수 있는 신장 구조체는 사구체 모세혈관 벽 두께, 사구체 모세혈관 내경, 사구체 주머니 직경, 사구체 주머니 벽 두께, 사구체 모세혈관 길이, 근위 곡세뇨관 길이, 근위 곡세뇨관 직경, 근위 직세뇨관 길이, 근위 직세뇨관 직경, 헨레 고리 길이, 헨레 고리 직경, 원위 직세뇨관 길이, 원위 직세뇨관 직경, 원위 곡세뇨관 길이, 원위 곡세뇨관 직경 등일 수 있다. 패킹 밀도는 1 ㎛3당, 10 ㎛3당, 50 ㎛3당, 75 ㎛3당, 100 ㎛3당, 150 ㎛3당, 200 ㎛3당, 250 ㎛3당, 500 ㎛3당, 750 ㎛3당, 1,000 ㎛3당, 2,500 ㎛3당, 5,000 ㎛3당, 10,000 ㎛3당, 100,000 ㎛3당 적어도 약 1개 이상의 형상일 수 있다. 패킹 밀도는 100,000 ㎛3당, 10,000 ㎛3당, 5,000 ㎛3당, 2,500 ㎛3당, 1,000 ㎛3당, 750 ㎛3당, 500 ㎛3당, 250 ㎛3당, 200 ㎛3당, 150 ㎛3당, 100 ㎛3당, 75 ㎛3당, 50 ㎛3당, 10 ㎛3당, 1 ㎛3당 최대 약 1개 이하의 형상일 수 있다. 예를 들어, 패킹 밀도 10 ㎛3 네프론은 10 ㎛3당 네프론 1개인 것일 수 있다. 총 부피 측정치는 현존하는 조직의 부피의 측정치일 수 있다. 예를 들어, 환자의 폐의 총 부피는 폐를 영상화하고, 영상에 기초하여 부피를 구함으로써 알 수 있다.
관은 하나 이상의 혈관을 포함할 수 있다. 관은 하나 이상의 림프관을 포함할 수 있다. 혈관은 하나 이상의 모세혈관 혈관을 포함할 수 있다. 혈관은 모세혈관 혈관 및 더 큰 혈관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 동맥 혈관에 상응하는 3D 모델은 동맥 혈관 주변의 모세혈관 혈관으로 형성될 수 있다. 혈관은 최대 3D 모델의 길이까지의 길이일 수 있다. 예를 들어, 혈관은 신장에 상응하는 3D 모델의 전체 길이를 순환할 수 있다. 혈관은 생물학적 샘플 중의 혈관과 같은, 혈관과 주변 조직 사이의 유사한 산소 교환율을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인간 갑상선이 갑상선 조직에 약 0.1 L/hr의 산소를 제공하는 혈관을 갖는다면, 3D 구조체 중 혈관 또한 3D 구조체에 약 0.1 L/hr을 제공하도록 구성될 수 있다.
혈관은 서브유닛 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일련의 모세혈관은 폐포를 커버하도록 배치될 수 있다. 혈관은 혈관이 생물학적 샘플 중의 부피와 유사한 부피를 갖도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 모세혈관에서 인간 폐포의 커버리지가 측정될 수 있고, 3D 구조체는 인간 폐포 상의 모세혈관과 같은 부피를 충전시키는 개수의 모세혈관을 가질 수 있다. 혈관은 생물학적 물질 중의 혈관과 유사한 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
혈관은 서브유닛이 적어도 하나의 다른 서브유닛과 혈류를 공유할 수 있도록 구성될 수 있다. 혈류 공유는 더 큰 혈관을 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 2개의 인접한 네프론은 하나의 큰 혈관을 이용하여 혈액을 두 네프론 모두의 모세혈관에 공급할 수 있다. 관은 모세혈관일 수 있다. 서브유닛에 결합하는 관의 개수는 공간 내에 배치된 복수의 모세혈관의 총 표면적을 이용함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 서브유닛 상에 배치하고자 하는 모세혈관의 개수는 서브유닛의 표면적을 정하고, 상기 표면적에 또는 그 주변에 또는 상기 표면적을 둘러싼 공간 주변에 몇 개의 모세혈관이 피팅될 수 있는지를 측정함으로써 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 모세혈관의 개수는 서브유닛에 특정 수준의 산소를 제공하는 모세혈관의 개수를 측정함으로써 결정될 수 있다. 본 방법은 관(예컨대, 혈관, 림프관)의 길이를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 혈액의 모세혈관의 부피와 모세혈관에 결합된 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하여 모세혈관의 길이를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
슈퍼유닛은 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 25, 50, 100, 1,000, 10,000, 100,000, 1,000,000개 이상의 서브유닛의 조합일 수 있다. 슈퍼유닛은 복수의 서브유닛에 대한 패킹 밀도를 컴퓨팅함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 서브유닛의 패킹 밀도는 서브유닛의 형상 및 부피에 기초하여 컴퓨팅될 수 있고, 슈퍼유닛은 서브유닛의 주어진 공간으로의 패킹을 최대화시키도록 형성될 수 있다. 슈퍼유닛은 또 다른 파라미터(예컨대, 복수의 서브유닛의 막에의 노출)를 컴핑(comping)함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 폐포를 다른 폐포와 조합하여 폐포 낭을 형성할 수 있다. 상기 예에서, 폐포는 공기에의 노출을 최대화시키기 위해 조합될 수 있다.
슈퍼유닛의 컴퓨터 모델은 적어도 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 25, 50, 100, 1,000, 10,000, 100,000, 1,000,000개 이상의 슈퍼유닛의 다른 컴퓨터 모델과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성할 수 있다. 단일 슈퍼유닛이 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성할 수 있다. 3D 구조체는 생물학적 물질과 유사할 수 있다. 예를 들어, 120만 개의 네프론이 조합되어 신장에 상응하는 구조체를 생성할 수 있다. 3D 구조체는 3D 구조체 내부 및/또는 외부에서 혈압을 유지하도록 구성될 수 있다. 혈압 유지는 3D 구조체가 대상체 내에 이식되는 것과 적합성을 띠도록 만드는 데 중요할 수 있다. 3D 구조체는 생물학적 물질에 상응할 수 있다. 3D 구조체는 인간 내부에서 발견되는 구조체로부터 유래된 구조체를 가질 수 있다. 3D 구조체는 인간 내부의 구조체의 영상, 인간 외부의 구조체의 측정치, 또는 그의 조합으로부터 도출될 수 있다. 예를 들어, 조직병리학적 슬라이드로부터 측정치를 MRI 영상과 조합하여 갑상선에 상응하는 3D 구조체를 형성할 수 있다.
슈퍼유닛을 하나 이상의 추가 슈퍼유닛과 조합하는 것은 적어도 부분적으로 슈퍼유닛의 크기에 기초하여 3D 공간 패킹 추정을 포함할 수 있다. 3D 공간 패킹 추정은 적어도 부분적으로 공지된 생리적 요건에 기초할 수 있다. 공지된 생리적 요건은 생리적 요건, 예컨대, 가스 교환율, 단위 부피당 혈장 여과, 또는 생물학적 물질의 기능과 관련된 다른 요건일 수 있다.
3D 구조체는 림프관을 포함할 수 있다. 림프관은 하나 이상의 배출 지점을 포함할 수 있다. 배출 지점은 복수의 배출 지점일 수 있다. 배출 지점은 림프계 배출 시스템과 유사하게 작용하도록 구성될 수 있다. 배출 지점은 더 큰 림프계에 연결될 수 있다. 더 큰 림프계는 대상체에 배치되고, 대상체의 림프계에 부착될 수 있도록 구성될 수 있다. 배출 지점은 또 다른 혈관 밖으로 누출된 유체의 수동적 복귀를 촉진시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 배출 지점은 적어도 부분적으로 3D 구조체 중 모세혈관의 개수에 기초하여 분포될 수 있다. 예를 들어, 모세혈관 3개를 포함하는 부위는 상기 3개의 모세혈관으로부터 노출된 혈액을 복귀시킬 수 있도록 구성된 1개의 배출 지점을 가질 수 있다. 또 다른 예에서, 더 많은 모세혈관을 포함하는 부위에 더 많은 배출 지점이 배치될 수 있다. 본 방법은 하나 이상의 프로세서를 이용하여 복수의 배출 지점을 컴퓨터 모델에 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 배출 지점은 적어도 부분적으로 생성 디자인 시스템 또는 생성 디자인 알고리즘에 기초하여 분포될 수 있다. 생성 디자인의 시스템은 모세혈관을 회피할 수 있다. 3D 구조체는 조직 순환 항상성을 유지하도록 구성될 수 있다. 생성 3D 디자인의 시스템은 조직 항상성 유지를 위해 충분히 높은 밀도의 배출 지점을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 복수의 배출 지점은 생물학적 물질 또는 3D 구조체의 순 양의 유압을 유지하도록 구성될 수 있다. 배출 지점은 적어도 부분적으로 모세혈관 밀도에 기초하여 3D 구조체에 배치될 수 있다. 모세혈관 밀도는 발생된 조직 구조체 중의 모세혈관 밀도일 수 있다. 배출 지점은 생성 디자인 알고리즘에 의해 3D 구조체에 배치될 수 있다. 생성 디자인 알고리즘은 하나 이상의 생리학적 파라미터(예컨대, 샘플로부터 측정된 파라미터) 및/또는 하나 이상의 생성된 파라미터(예컨대, 유체 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램에 의해 생성된 파라미터)의 조합을 이용할 수 있다. 배출 지점은 적어도 부분적으로 3D 구조체의 혈압에 기초하여 분포될 수 있다. 예를 들어, 3D 구조체 전역에 걸친 혈압이 산출될 수 있고, 혈압이 더 높을 것으로 예상되는 부위에는 더 많은 배출 지점이 배치될 수 있다.
복수의 배출 지점을 갖는 3D 구조체는 3D 프린팅에 적합한 파일 포맷으로 출력될 수 있다. 파일 포맷은 .stl 파일, .obj 파일, .vrml 파일, .ply 파일, .fbx 파일 등일 수 있다. 복수의 배출 지점을 갖는 3D 구조체는 본원 다른 곳에서도 기술된 바와 같은 3D 프린터를 이용하여 프린팅될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배출 지점을 갖는 3D 구조체는 매질 중 지점의 3D 홀로그래픽 어레이를 생성함으로써 프린팅될 수 있다.
복수의 세포는 배양될 수 있고/거나, 3D 구조체일 수 있다. 세포 배양시, 기관과 동일한 기능을 갖는 물체가 생성될 수 있다. 예를 들어, 신장에 상응하는 3D 구조체를 대상체로부터의 세포와 함께 배양하여 대상체를 위한 대체 신장을 형성할 수 있다. 세포는 적어도 부분적으로 3D 구조체에 캡슐화될 수 있다.
3D 구조체는 본원에 기술된 생성된 3D 모델에 따라 프린팅될 수 있다. 프린팅은 본원 다른 곳에서도 기술된 바와 같은 3D 프린터를 이용하는 것일 수 있다. 3D 프린터는 광 기반 3D 프린터일 수 있다. 3D 구조체는 (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하고; (b) 컴퓨터 메모리에서 3D 구조체를 프린팅하기 위한 컴퓨터 모델에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시켜 (i) 적어도 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 3D 구조체의 적어도 일부를 형성함으로써 프린팅될 수 있다.
복수의 세포는 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 복수의 세포는 하나 이상의 세포 유형의 것일 수 있다. 복수의 세포는 대상체의 것일 수 있다. 예를 들어, 신장 생검은 채취되고, 세포는 생검으로부터 추출되고, 세포는 매질 챔버에 첨가될 수 있고, 새 신장 구조체가 프린팅될 수 있고, 세포는 배양되어 새 신장을 생성할 수 있다.
본 개시내용은 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템을 제공한다. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템은, 개별적으로 또는 일괄적으로 (a) 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하고; (b) 상기 3D 구조체를 프린팅하기 위해 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델을 3D 프린터로 전송하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 여기서, 3D 구조체는 대상체의 체내에 이식가능한 것이다.
본 개시내용은 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템을 제공한다. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템은, 개별적으로 또는 일괄적으로 (a) 컴퓨터 메모리에서 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하고; (b) (a)에서 생성된 상기 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 상기 생물학적 물질에 상응하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템
본 개시내용은 본 개시내용의 방법을 구현하도록 프로그래밍된 컴퓨터 시스템을 제공한다. 도 11은 컴퓨터 메모리에서 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 컴퓨터 모델을 수신하도록; 컴퓨터 메모리에서 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 컴퓨터 모델의 포인트-클라우드 표현 또는 라인 기반 표현을 생성하도록; 및 적어도 하나의 에너지원이 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 컴퓨터 모델에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 에너지 빔을 매질 챔버 중의 매질로 유도시키고, 중합체 전구체의 적어도 일부가 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하게 지시하도록 프로그래밍되거나, 또는 다르게는 그러하도록 구성된 컴퓨터 시스템 (1101)을 보여주는 것이다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 또한 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체를 생성하도록 프로그래밍되거나, 또는 다르게는 그러하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 예컨대, 예를 들어, 프린팅하고자 하는 원하는 3차원(3D) 생물학적 물질 구조체의 컴퓨터 지원 디자인(CAD) 모델, 예컨대, 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스를 수신하거나, 또는 생성하는 것과 같은, 본 개시내용의 컴퓨터 모델 생성 및 디자인(복수의 혈액 및 림프관을 함유하는 생물학적 물질에 상응하는 3D 구조체 생성 포함), 영상 생성, 홀로그래픽 투영, 및 광 변조의 다양한 측면을 조절할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 CAD 모델 또는 임의의 상이한 유형의 컴퓨터 모델, 예컨대, 포인트-클라우드 모델 또는 라인 기반 모델을 프린팅하고자 하는 원하는 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 영상으로 전환시킬 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 원하는 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 영상을 홀로그래픽 방식으로 투영할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 컴퓨터 시스템 (1101)에 의해 광 경로 또는 에너지 빔 경로가 생성되도록 광원, 에너지원, 또는 에너지 빔을 변조할 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 광원, 에너지원, 또는 에너지 빔을 광 경로 또는 에너지 빔 경로를 따라 유도시킬 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 사용자의 전자 장치, 또는 전자 장치와 관련하여 원격에 위치하는 컴퓨터 시스템일 수 있다. 전자 장치는 모바일 전자 장치일 수 있다.
단일 코어 또는 다중 코어 프로세서, 또는 병렬 처리를 위한 복수의 프로세서 일 수 있는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit, 본원에서는 또한 "프로세서" 및 "컴퓨터 프로세서") (1105)를 포함한다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 또한 메모리 또는 메모리 위치 (1110)(예컨대, 랜덤 액세스 메모리, 읽기 전용 메모리, 플래시 메모리), 전자 저장 장치 (1115)(예컨대, 하드 디스크), 하나 이상의 다른 시스템과의 통신을 위한 통신 인터페이스 (1120)(예컨대, 네트워크 어댑터), 및 주변 장치 (1125), 예컨대, 캐시, 다른 메모리, 데이터 저장 및/또는 전자 디스플레이 어댑터를 포함한다. 메모리 (1110), 저장 장치 (1115), 인터페이스 (1120) 및 주변 장치 (1125)는 예컨대, 마더보드와 같은 통신 버스 (실선)를 통해 CPU (1105)와 통신한다. 저장 장치 (1115)는 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 장치(또는 데이터 저장소)일 수 있다. 컴퓨터 시스템 (1101)은 통신 인터페이스 (1120)의 지원하에 컴퓨터 네트워크("네트워크") (1130)에 작동적으로 결합될 수있다. 네트워크 (1130)는 인터넷, 인터넷 및/또는 엑스트라넷, 또는 인터넷과 통신하는 인트라넷 및/또는 엑스트라넷일 수있다. 일부 경우에서, 네트워크 (1130)는 통신 및/또는 데이터 네트워크이다. 네트워크 (1130)는 예컨대, 클라우드 컴퓨팅과 같은 분산 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 서버를 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 네트워크 (1130)는 컴퓨터 시스템 (1101)의 지원하에 피어-투-피어 네트워크를 구현할 수 있고, 이는 컴퓨터 시스템 (1101)에 결합된 장치가 클라이언트 또는 서버로 작동하게 할 수 있다.
CPU (1105)는 프로그램 또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 일련의 기계 판독 가능 명령어를 실행할 수 있다. 명령어는 메모리 위치, 예컨대, 메모리 (1110)에 저장될 수 있다. 명령어는 CPU (1105)로 지시될 수 있고, 이어서, 이는 CPU (1105)가 본 개시내용의 방법을 구현하도록 프로그램화하거나, 또는 다르게는 구성할 수 있다. CPU (1105)에 의해 수행되는 연산의 예로는 인출, 해독, 실행 및 라이트백을 포함할 수 있다.
CPU (1105)는 회로, 예컨대, 집적 회로의 일부일 수 있다. 시스템 (1101)의 하나 이상의 다른 구성 요소가 회로에 포함될 수 있다. 일부 경우에서, 회로는 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit)이다.
저장 장치 (1115)는 파일, 예컨대, 드라이버, 라이브러리 및 저장된 프로그램을 저장할 수 있다. 저장 장치 (1115)는 사용자 데이터, 예컨대, 사용자 선호도 및 사용자 프로그램을 저장할 수 있다. 일부 경우에서, 컴퓨터 시스템 (1101)은 인트라넷 또는 인터넷을 통해 컴퓨터 시스템 (1101)과 통신하는 원격 서버에 위치하는 것과 같이 컴퓨터 시스템 (1101) 외부에 있는 하나 이상의 추가 데이터 저장 장치를 포함 할 수 있다.
컴퓨터 시스템 (1101)은 네트워크 (1130)를 통해 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템과 통신 할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템 (1101)은 사용자의 원격 컴퓨터 시스템과 통신 할 수 있다. 원격 컴퓨터 시스템의 예로는 개인용 컴퓨터(예컨대, 휴대용 PC), 슬레이트 또는 태블릿 PC(예컨대, Apple® iPad, Samsung® Galaxy Tab), 전화기, 스마트 폰(예컨대, Apple® iPhone, Android 가능 장치, Blackberry®), 클라우드 기반 컴퓨팅 서비스(예컨대, 아마존 웹 서비스(Amazon Web Services)) 또는 개인 정보 단말기를 포함한다. 사용자는 네트워크 (1130)를 통해 컴퓨터 시스템 (1101)에 접속할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같은 방법은 컴퓨터 시스템 (1101)의 전자 저장 위치, 예컨대, 예를 들어, 메모리 (1110) 또는 전자 저장 장치 (1115)에 저장된 기계(예컨대, 컴퓨터 프로세서) 실행가능 코드에 의해 구현될 수 있다. 기계 실행가능 코드 또는 기계 판독가능 코드는 소프트웨어 형태로 제공될 수 있다. 사용 중에, 코드는 프로세서 (1105)에 의해 실행될 수 있다. 일부 경우에서, 코드는 저장 장치 (1115)로부터 검색될 수 있고, 프로세서 (1105)에 의한 레디 액세스를 위해 메모리 (1110)에 저장될 수 있다. 일부 경우에서, 전자 저장 장치 (1115)는 제외될 수 있고, 기계 실행가능 명령어는 메모리 (1110)에 저장된다.
코드는 코드를 실행하도록 적합화된 프로세서가 있는 기계와 함께 사용하기 위해 미리 컴파일되고 구성될 수 있거나, 실행시간 동안 컴파일될 수 있다. 코드는 사전 컴파일 또는 컴파일된 방식으로 코드를 실행할 수 있도록 선택될 수 있는 프로그래밍 언어로 제공될 수 있다.
본원에 제공된 시스템 및 방법의 측면들, 예컨대, 컴퓨터 시스템 (1101)은 프로그래밍으로 구현될 수 있다. 기술의 다양한 측면은 전형적으로 기계(또는 프로세서) 실행가능 코드 및/또는 기계 판독가능 매체의 유형으로 전달되거나, 또는 구현되는 연관 데이터 형태의 "제품" 또는 "제조 물품"으로 간주될 수 있다. 기계 실행가능 코드는 전자 저장 장치, 예컨대, 메모리(예컨대, 읽기 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리) 또는 하드 디스크에 저장 될 수 있다. "저장" 타입 매체는 소프트웨어 프로그래밍을 위해 언제든 비일시적인 저장을 제공할 수 있는, 예컨대, 각종 반도체 메모리, 테이프 드라이브, 디스크 드라이브 등과 같은 컴퓨터, 프로세서 등의 임의의 또는 모든 유형 메모리 또는 그의 연관된 모듈을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모두 또는 일부는 간혹 인터넷 또는 각종의 다른 통신 네트워크를 통해 통신될 수 있다. 예를 들어, 이러한 통신은 한 컴퓨터 또는 프로세서에서 또 다른 컴퓨터 또는 프로세서로, 예를 들어, 관리 서버 또는 호스트 컴퓨터에서 애플리케이션 서버의 컴퓨터 플랫폼으로 소프트웨어의 로딩을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 소프트웨어 요소를 포함할 수 있는 또 상이한 유형의 매체는 유선 및 광학 유선 네트워크를 통해 및 다양한 무선 링크를 통해 로컬 장치 간의 물리적 인터페이스를 통해 사용되는 것과 같은 광학, 전기 및 전자기파를 포함한다. 유선 또는 무선 링크, 광학 링크 등과 같이 상기 파동을 전달하는 물리적 요소도 소프트웨어를 포함하는 매체로 간주 될 수 있다. 본원에서 사용되는 바, 비일시적, 유형 "저장" 매체로 제한하지 않는 한, 예컨대, 컴퓨터 또는 기계 "판독가능 매체"라는 용어는 실행을 위해 프로세서에 명령을 제공하는 데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다.
따라서, 기계판독가능 매체, 예컨대, 컴퓨터 실행가능 코드는 유형 저장 매체, 반송파 매체 또는 물리적 전송 매체를 포함하나, 이에 제한되지 않는, 많은 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 저장 매체는 예를 들어, 도면에 제시된 데이터베이스 등을 구현하는 데 사용될 수 있는 임의의 컴퓨터(들) 등의 임의의 저장 장치와 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 저장 매체는 이러한 컴퓨터 플랫폼의 주 메모리와 같은 동적 메모리를 포함한다. 유형의 전송 매체로는 동축 케이블; 컴퓨터 시스템내 버스를 포함하는 와이어를 비롯한, 구리 와이어 및 광섬유를 포함한다. 반송파 전송 매체는 전기 또는 전자기 신호, 또는 무선 주파수(RF: radio frequency) 및 적외선(IR) 데이터 통신 중에 생성되는 것과 같은 음향 또는 광파의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 판독가능 매체의 일반적인 형태는 예를 들어: 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD 또는 DVD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드 용지 테이프, 구멍 패턴이 있는 임의의 다른 물리적 저장 매체, RAM, ROM, PROM 및 EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 데이터 또는 명령어를 전송하는 반송파, 상기 반송파를 전송하는 케이블 또는 링크, 또는 컴퓨터가 프로그래밍 코드 및/또는 데이터를 판독할 수 있는 다른 매체를 포함한다. 이러한 형태의 컴퓨터 판독가능 매체 중 다수는 실행을 위해 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 프로세서에 전달하는 데 관여할 수 있다.
컴퓨터 시스템 (1101)은 예를 들어, 프린팅 프로세스의 상태를 제공하기 위한 사용자 인터페이스(UI: user interface) (1140)(예컨대, 프로세스 완료 전에 프린팅된 3D 조직 부분을 나타내는 3D 림프양 오르가노이드 및/또는 3D 세포 함유 매트릭스의 일러스트레이션를 나타내는 것), 에너지 빔의 수동 제어기(예컨대, 에너지 빔의 온/오프 상태를 제어하는 비상 정지 버튼), 및 예컨대, 매질 챔버 내의 원격 산소 농도, 이산화탄소 농도, 습도 측정, 및/또는 온도 측정을 표시하도록 디자인된 디스플레이 인디케이터를 포함하는 전자 디스플레이 (1135)를 포함하거나, 그와 통신할 수 있다. UI의 예로는 제한 없이, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI: graphical user interface) 및 웹 기반 사용자 인터페이스를 포함한다.
실시예
하기 실시예는 예시 목적으로 제공된다. 본 실시예는 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
실시예 1 - 신장 네프론
한 실시예에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 신장 네프론을 프린팅한다. 먼저, 프린팅된 림프절 오르가노이드에서 항체 라이브러리를 제조한다. 도 16a-16c에 제시된 바와 같이, 3차원 신장 네프론 모델은 혈액을 여과하고, 소변을 생성하는 다중 부분 구조체이다. 근위 세뇨관 구조체, 하행 헨레 고리, 상행 헨레 고리, 및 원위 세뇨관과 모세혈관의 밀접한 회합을 통해 세포 및 삼투력을 통한 재흡수 및 염 평형이 가능해질 수 있다. 네프론 구조체는 짧은 또는 긴 헨레 고리를 가질 수 있다. 모세혈관은 네프론 구조체를 분산된 방식으로 또는 조밀하게 둘러싸고 있을 수 있다. 단일 네프론에 대한 입구 및 출구는 도 16a-c에 도시되어 있다. 다중 네프론은 다발로 적층될 수 있고, 동일한 입구 및 출구 혈관, 및 소변에 대한 집합관과 회합될 수 있다. 헨레 고리는 최대 약 8 cm 길이 내지 약 1 cm 정도로 짧은 길이일 수 있다. 전체 구조는 폴드가 존재하지 않도록 장방형일 수 있다.
실시예 2 - 사구체 모세혈관
또 다른 예에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 사구체 모세혈관을 프린팅한다. 도 16d는 그를 감싸고 있는 모세혈관상을 포함하는 근위 세뇨관과 함께 사구체 모세혈관 및 주머니를 보여주는 것이다. 도 16d에 도시된 사구체는 사구체 주머니와 접촉하고 있는 6개의 모세혈관을 갖고 있다. 주머니는 그보다 더 많거나, 또는 더 적은 모세혈관을 가질 수 있다. 모세혈관은 주머니 벽과 접촉하고 있거나, 또는 그렇지 않을 수 있다. 모세혈관상은 더 큰 혈액 부피가 근위 세뇨관을 둘러쌀 수 있도록 확장될 수 있는 최소의 모세혈관 세트로서 제시되어 있다. 근위 세뇨관은 (도 16d에 제시된 바와 같이) 곡형, 직쇄형, 또는 네트워크형태일 수 있다. 세뇨관은 모세혈관 네트에 캡슐화될 수 있다.
실시예 3 - 바이오 프린팅된 얇은 인터페이스를 갖는 관
한 실시예에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 바이오 프린팅된 얇은 인터페이스를 갖는 관을 프린팅한다. 도 17-19는 2개 채널을 포함하는 예시적인 관의 다양한 뷰의 도면을 도시한 것이다. 생물학적 물질의 두 채널 사이의 물질은 약 5 마이크로미터(㎛) 정도로 얇고, 약 1 밀리미터(mm) 정도로 클 수 있다. 도 17a-17c는 제1 채널과 제2 채널 사이가 약 30 미크론(㎛)인 거리를 포함하는 관을 보여주는 것이다. 인터페이스(예컨대, 채널) 길이는 약 2 mm 정도로 긴 길이 내지 약 50 마이크로미터 정도로 짧은 길이일 수 있고, 여기서, 길이는 채널의 제1 단부와 제2 단부 사이의 거리로서 정의된다. 채널을 포함하는 상기 관은 생물학적 구조체와 매칭되는 얇은 세포 벽 두께의 인터페이스를 허용한다. 이는 막 간 세포-세포 상호작용에 관한 연구 및, 또는 가스 또는 물질 교환에 관한 연구를 촉진시킨다. 미세유체 배관은 칩 포맷으로 상기 구조체에 부착될 수 있거나, 구조체는 예컨대, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 물질에 내장될 수 있고, 관은 도 19에 제시된 바와 같이, 경화된 구조체의 상부로부터 부착될 수 있다. 유동을 허용하는 얇은 인터페이스를 갖는 생물학적 물질로서 독특한 것이며, 유동이 필요한 세포에 관한 연구는 연구될 수 있다. 관은 도면에서와 같이 개방형일 수 있거나, 미세유체 지지를 위해 상이한 물질 중에 내장되기 전에 실링될 수 있다.
이들 관의 독특한 특징은 인간 생리를 나타내는 장벽; 예를 들어, 혈액-뇌 장벽, 신장 네프론 장벽, 간-혈액 장벽, 또는 혈액과 임의 유형의 조직의 장벽 간의 세포-세포 상호작용의 의문에 대해 관 사이의 초미세(미크론 규모) 벽이 생물학적 물질로부터 생성될 수 있다는 것이다.
실시예 4 - 채널 주입 포트
또 다른 예에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 채널 및 주입 포트를 포함하는 관을 프린팅한다. 도 20a는 채널 주입 포트를 포함하는 관을 보여주는 것이다. 채널 주입 포트는 상부에 세포를 도입하는 데 사용될 수 있고, 구조체 중심부는 세포, 화합물 또는 다른 물질을 도입하고, 그를 유동 도입 전에 시스템을 통해 플러싱하는 데 사용될 수 있다. 유동과는 상관없는 주입 포트는 구조체의 각 단부에 위치한다. 유동 시스템과는 상관없는 주입 포트는 세포 시딩, 물질, 예컨대, 콜라겐 주입 또는 젤라틴 코팅, 및/또는 세포 성장 인자 주입을 허용하도록 구조체의 다수의 위치에 도입될 수 있다.
도 20b는 관 및 채널 연결부의 중공부를 나타낸, 2개의 주입 포트 및 톱다운 또는 z축 슬라이싱을 갖는 두 채널을 도시한 대표적인 구조체를 보여주는 것이다.
도 21은 세뇨관 어레이의 예시적인 형태를 도시한 것이다. 세뇨관은 곡형 또는 직쇄형일 수 있고, 시스템은 한 어레이에 1, 2, 3, 4, 또는 최대 8개의 세뇨관를 함유할 수 있다. 3, 4, 또는 8개의 세뇨관의 엔드 온 뷰. 이들 관은 결합된 벽을 공유할 수 있다. 관의 직경 및 벽 두께는 다양할 수 있다. 도 22a-22c는 예시적인 세뇨관 단위를 도시한 것이다.
실시예 5 - 더 큰 폐 구조체: 공유 모세혈관 시스템과 결합된 다수의 폐포 공간
또 다른 예에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 이용하여 모세혈관 시스템을 공유하는 폐포 구조체를 프린팅한다. 도 23a-23b는 예시적인 폐포 구조체를 도시한 것이다. 폐포는 더 큰 구조체로 결합하여 얇은 막 간의 가스 교환의 기능 단위를 형성할 수 있다. 가스 교환은 둘 모두가 폐포 공간을 둘러싸고 있고, 폐포 공간 내부에서 발견되는 혈액 또는 액체 함유 관의 모세혈관 시스템 사이에 산재하는 프린팅된 세포외 막 공간에 함유된 세포 또는 생물학적 물질의 얇은 벽에 의해 촉진된다. 이 시스템은 가스 교환의 표면적 대 부피 비를 증가시킨다. 폐포 낭의 경우, 다수의 폐포 단위는 함께 결국은 더 큰 기도 및 혈관계를 통해 함께 연결되어 폐엽을 형성할 수 있다. 용이한 시각화를 위해, 혈류는 기도의 다른 쪽에 위치하는 것으로 제시되고 있지만, 소동맥 및 정맥 시스템은 서로 옆에 위치할 수 있고, 벽을 공유할 수 있다. 조작된 모세혈관 크기는 직경이 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터 범위이고, 벽은 두께가 약 0.5 미크론 내지 약 30 미크론 범위일 수 있다.
실시예 6 - 프린팅된 폐포 구조체
또 다른 예에서, 본원에 기술된 방법 및 시스템을 이용하여 폐포 구조체를 프린팅하였다. 도 24a-24c는 폐포 구조체의 예시적인 디자인을 보여주는 것이다. 도 24d는 직경이 약 400 미크론이고, 모세혈관이 그를 감싸고 있고, 유동을 위한 독립된 채널이 존재하는 프린팅된 폐포 구조체의 영상을 보여주는 것이다. 프린팅된 폐포 구조체는 독특한 특징을 가졌다; 예를 들어, 구조체는 거의 투명하였고, 약 500 나노미터(nm) 파장의 자외선 광선의 여기로 희미한 형광을 나타낼 수 있다. 폐포 출구의 직경은 약 80 미크론이었다. 프린팅된 폐포 구조체는 건조 및 재수화도 잘 견뎌내었다.
도 25a 및 25b는 프린팅된 모세혈관을 포함하는 추가 구조체를 보여주는 것이다. 도 25a는 6분 이내에 프린팅된, 밀접하게 회합된(심장 조직 간격), 250 미크론 길이의 모세혈관을 보여주는 것이다. 모세혈관은 FDA 승인을 받은 생체적합성, 생체재흡수성 물질을 이용하여 프린팅되었다. 도 25b는 5 ㎛ 형광성 입자를 이용한 양압 유동 시험 동안의 프린팅된 모세혈관의 형광 현미경 영상을 보여주는 것이다.
실시예 7 - 프린팅된 바스켓 구조체
또 다른 예에서, 본원에 기술된 방법 및 시스템을 이용하여 바스켓 구조체를 프린팅하였다. 도 26a-26d는 바스켓 구조체의 예시적인 디자인의 다양한 뷰의 도면을 보여주는 것이다. 도 27A-27B는 프린팅된 바스켓 구조체의 명시야 및 형광 현미경 영상을 보여주는 것이다. 도 27A-27B에 제시된 바와 같이, 프린팅된 바스켓 구조체는 도 26a-26d에 제시된 디자인을 성공적으로 재현하였다.
실시예 8 - 모세혈관상 구조체
또 다른 예에서, 본원에 제공된 방법 및 시스템을 이용하여 모세혈관상 구조체를 프린팅한다. 도 28은 제1 포트 및 제2 포트를 포함하는 모세혈관상 디자인을 보여주는 것이다. 모세혈관상은 곡형 디자인의 관 및/또는 채널을 가질 수 있다. 모세혈관상은 서로 연결된 관 및 채널 네트워크를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태가 본원에 제시되고, 기술되었지만, 그러한 실시양태는 단지 예로서 제공된 것이라는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명은 명세서에서 제공된 구체적인 예에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명은 상기 언급된 명세서를 참조로 하여 기술되었지만, 본원의 실시양태의 설명 및 예시는 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 이에, 본 발명으로부터 벗어남 없이 다수의 변형, 변경 및 치환을 당업자는 착안해 낼 수 있을 것이다. 추가로, 본 발명의 모든 측면은 다양한 조건 및 변수에 의존하는, 본원에 기술된 구체적인 설명, 형태 또는 상대적인 비율로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 본원에 기술된 본 발명의 실시양태에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는 데 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러므로, 본 발명은 또한 상기와 같은 임의의 대안, 수정, 변형 또는 등가물을 포괄하여야 하는 것을 고려된다. 하기 청구범위가 본 발명의 범주를 정의하고, 이러한 청구범위 내의 방법 및 구조체 및 그의 등가물이 그에 의해 포괄되는 것으로 의도된다.
실시예 9 - 신장에 상응하는 3D 구조체 생성
또 다른 예에서, 본원에 기술된 방법 및 시스템을 이용하여 신장에 상응하는 3D 구조체를 프린팅하였다. 예컨대, 모세혈관 혈관, 림프관 등의 위치와 같은 특성을 관찰함으로써 신장의 활성 구성 요소, 네프론의 위치에 대해 조직병리학적 샘플을 분석하였다. 추가로, 인간 신장의 조직병리학적 샘플을 채취하고, 측정하여 예컨대, 네프론의 다양한 구성 요소의 길이(예컨대, 근위 직세뇨관 길이, 헨레 고리 길이)와 같은 특성의 추정치를 측정하였다. 측정된 추정치를 신장의 총 측정치(예컨대, 전체 부피, 여과 용량)와 조합하여 네프론 특성의 추정치를 추가로 리파이닝하였다. 예를 들어, 사구체 모세혈관 벽은 약 10 ㎛일 수 있고, 사구체 모세혈관 내경은 약 22 ㎛일 수 있고, 사구체 내부 주머니 직경은 약 400 ㎛일 수 있고, 사구체 주머니 벽 두께는 약 50 ㎛일 수 있고, 사구체 모세혈관 부피는 약 5.14 ㎛3일 수 있고, 사구체 모세혈관 길이는 약 13.53 mm일 수 있다. 추가로, 근위 곡세뇨관 길이는 약 16.9 mm일 수 있고, 근위 곡세뇨관 외경은 약 63 ㎛ 및 내경은 약 33 ㎛일 수 있고, 근위 직세뇨관 길이는 약 1.1 mm일 수 있고, 근위 직세뇨관의 내경 및 외경은 각각 약 63 ㎛ 및 약 33 ㎛일 수 있고, 헨레 고리 얇은 상행지(A limb) 및 하행지(D limb) 길이는 약 3.18 mm일 수 있고, 헨레 고리 얇은 상행지 및 하행지 외경은 약 40 ㎛ 및 내경은 약 20 ㎛일 수 있고, 원위 직세뇨관 길이는 약 2.45 mm일 수 있고, 원위 직세뇨관 외경은 약 55 및 내경은 약 25일 수 있고, 원위 곡세뇨관 길이는 약 2.5 mm일 수 있고, 원위 곡세뇨관 외경은 약 55 ㎛ 및 내경은 약 25 ㎛일 수 있다.
여과가 일어나는 신장 부분인 사구체의 경우, 공지된 생리적 여액 교환율과 조합된 사구체의 부피 관측치를 이용하여 사구체에 배치하고자 하는 모세혈관 혈관의 부피를 결정하였다. 모세혈관의 길이는 조직으로 원하는 양의 산소를 전달하는 것으로 산출된 모세혈관의 최소 길이에 의해 모세혈관 길이를 결정하였다.
일단 개별 네프론의 특성이 결정되고 나면, 복수의 네프론을 함께 조합하였다. 개별 네프론으로의 혈액 전달을 고려하여 네프론을 조합하였고, 이로써, 다수의 네프론은 동일한 동맥 혈액 전달 및 정맥 환류를 이용할 수 있다. 일단 네프론이 이러한 방식으로 조합된 후, 네프론 그룹으로부터 확립된 동맥 전달 및 정맥 환류 시스템이 존재하였다. 이어서, 원하는 신장의 전체 크기를 (예컨대, 대상체에서 신장을 측정하여) 결정하였고, 혈관 슈퍼구조체 스킴이 발생된다. 혈관 슈퍼구조체는 인간 신장의 혈관구조에 기초하였다. 이어서, 네프론 군을 예정된 혈관 슈퍼구조체 내에 피팅될 수 있는 그의 능력에 대해 질의하였다. 혈압 변동에 대한 불내성에 기인하는 합병증의 위험을 감소시키면서, 인간 신장과 유사한 혈압을 유지하도록 조합된 네프론-혈관 슈퍼구조체를 디자인하였다. 충분한 네프론을 첨가하여 인간 신장의 기능을 재현할 때까지, 전형적으로는 총 1,000,000개 이상의 네프론이 첨가될 때까지, 슈퍼구조체 내에 네프론 그룹을 배치하는 프로세스는 계속 진행되었다.
슈퍼구조체 내에 네프론이 배치되고 나면, 림프관 구조 유사체를 슈퍼구조체에 첨가하여 모세혈관 벽을 통해 노출된 혈액 혈장을 수동적으로 복귀시켰다. 림프관 유사체의 단부는 신장내 모세혈관 크기와 유사하였다. 림프관 유사체는 적어도 부분적으로 국소 모세혈관 농도 및 국소 혈압 예측치에 기초하여 분포되었다. 림프관 유사체는 부분적으로는 충분한 림프관 유사체가 순환 항상성을 확실히 유지할 수 있도록 하면서, 슈퍼구조체에 이미 존재하는 모세혈관 및 네프론 구조체는 회피하도록 유사체를 배치하는 생성 3D 모델링 프로그램에 기초하여 분포되고, 분지될 수 있다. 림프관 유사체를 포함하지 않으면, 신장에 유체가 축적되는 결과를 초개할 수 있고, 이는 가능하게는 신장 거부 또는 심지어는 대상체를 사망에 이르게 할 수 있다.

Claims (87)

  1. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법으로서,
    (a) 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관(vessel)을 이용하여 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 3차원(3D) 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계; 및
    (b) 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델에 따라 상기 3D 구조체를 프린팅하는 데 사용가능한 명령어를 생성하는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 3D 구조체는 대상체에서 이식가능한 것인, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 물질이 신장 또는 폐인 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 서브유닛이 사구체인 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 서브유닛이 상기 사구체 주위에 보우만 주머니를 갖는 사구체인 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 서브유닛이 폐포인 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 가스 교환을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 복수의 대사 활성 화합물의 교환을 포함하는 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 대사 활성 화합물이 영양소, 당, 염, 아미노산, 및 대사 노폐물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 혈장 여과를 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 관이 하나 이상의 혈관, 또는 하나 이상의 림프관, 또는 그 둘 모두를 포함하는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 혈관이 하나 이상의 모세혈관을 포함하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합하는 상기 서브유닛 및 상기 관이 슈퍼유닛(superunit)을 형성하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 사용하여 상기 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 3D 구조체는 상기 생물학적 물질에 상응하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서를 이용하여 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델에 복수의 배출 지점을 부가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 상기 생물학적 물질 내의 순 양의 유압을 유지하도록 구성되는 것인 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 생성 디자인 알고리즘에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 복수의 모세혈관의 밀도에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 상기 3D 구조체의 혈압에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 서브유닛, 상기 서브유닛의 벽, 또는 그 둘 모두에 결합하는 상기 관의 일반화된 위치를 이용하여 상기 표면을 확인하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 표면을 갖는 상기 서브유닛의 표면적을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 결정하는 단계가 (i) 적어도 부분적으로 상기 서브유닛의 직경으로부터 도출된 복수의 3차원 추정치를 사용하는 것, 또는 (ii) 상기 3D 구조체의 부피 산출치를 상기 생물학적 물질의 예정된 부피 범위로 처리하여 상기 표면적을 결정하는 것을 포함하는 것인 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 관이 모세혈관인 경우, 공간 내에 배치된 복수의 모세혈관의 총 표면적을 이용하여 상기 관의 개수를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 관이 모세혈관인 경우, 생물학적 유체의 상기 모세혈관의 부피와 상기 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하는 것을 포함하는 상기 모세혈관의 길이를 결정하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 서브유닛은 상기 모세혈관에 결합하는 것인 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 3D 구조체가 조직 순환 항상성을 유지하도록 구성된 것인 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 3D 구조체가 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터인 부피를 포함하는 것인 방법.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 명령어를 이용하여 상기 3D 구조체를 프린팅하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 3D 구조체가 적어도 부분적으로,
    (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 것; 그리고
    (b) 컴퓨터 메모리에서 상기 3D 구조체를 프린팅하기 위한 상기 컴퓨터 모델에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 상기 매질 챔버 중의 상기 매질로 유도시켜 (i) 적어도 상기 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 상기 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 상기 3D 구조체의 적어도 일부를 형성함으로써 프린팅되는 것인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 복수의 세포가 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  29. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법으로서,
    (a) 적어도 상기 표면 상의 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 컴퓨터 메모리에서 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하는 단계; 및
    (b) 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 이용하여 (a)에서 생성된 상기 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하는 단계를 포함하는,
    생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 생물학적 물질이 신장인 것인 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 생물학적 물질이 폐인 것인 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 서브유닛이 사구체인 것인 방법.
  33. 제29항에 있어서, 상기 서브유닛이 상기 사구체 주위에 보우만 주머니를 갖는 사구체인 것인 방법.
  34. 제29항에 있어서, 상기 서브유닛이 폐포인 것인 방법.
  35. 제29항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 가스 교환을 포함하는 것인 방법.
  36. 제29항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 복수의 대사 활성 화합물의 교환을 포함하는 것인 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 복수의 대사 활성 화합물이 영양소, 당, 염, 아미노산, 및 대사 노폐물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  38. 제29항에 있어서, 상기 생물학적 기능이 혈장 여과를 포함하는 것인 방법.
  39. 제29항에 있어서, 상기 관이 하나 이상의 혈관, 또는 하나 이상의 림프관을 포함하는 것인 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 하나 이상의 혈관이 하나 이상의 모세혈관을 포함하는 것인 방법.
  41. 제29항에 있어서, 상기 하나 이상의 프로세서를 이용하여 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델에 복수의 배출 지점을 부가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 상기 생물학적 물질 내의 순 양의 유압을 유지하도록 구성되는 것인 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 생성 디자인 알고리즘에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  44. 제41항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 복수의 모세혈관의 밀도에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  45. 제41항에 있어서, 상기 복수의 배출 지점이 적어도 부분적으로 상기 3D 구조체의 혈압에 기초하여 배치되는 것인 방법.
  46. 제29항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 서브유닛, 상기 서브유닛의 벽, 또는 그 둘 모두에 결합하는 상기 관의 일반화된 위치를 이용하여 상기 표면을 확인하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  47. 제29항에 있어서, 상기 표면을 갖는 상기 서브유닛의 표면적을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 결정하는 단계가 적어도 부분적으로 상기 서브유닛의 직경 근사치로부터 도출된 복수의 3차원 추정치를 사용하는 것, 또는 상기 3D 구조체의 부피 산출치를 상기 생물학적 물질의 예정된 부피 범위와 비교하여 상기 표면적을 결정하는 것을 포함하는 것인 방법.
  49. 제29항에 있어서, 상기 관이 모세혈관인 경우, 공간 내에 배치된 복수의 모세혈관의 총 표면적을 이용하여 상기 관의 개수를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것인 방법.
  50. 제29항에 있어서, 상기 관이 모세혈관인 경우, 생물학적 유체의 상기 모세혈관의 부피와 상기 서브유닛 사이의 산소 교환율을 이용하는 것을 포함하는 상기 모세혈관의 길이를 결정하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 서브유닛은 상기 모세혈관에 결합하는 것인 방법.
  51. 제29항에 있어서, 상기 3D 구조체가 조직 순환 항상성을 유지하도록 구성된 것인 방법.
  52. 제29항에 있어서, 상기 3D 구조체가 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터인 부피를 포함하는 것인 방법.
  53. 제29항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3D 구조체가,
    (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 것; 그리고
    (b) 컴퓨터 메모리에서 상기 3D 구조체를 프린팅하기 위한 상기 컴퓨터 모델에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 상기 매질 챔버 중의 상기 매질로 유도시켜 (i) 적어도 상기 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 상기 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 상기 3D 구조체의 적어도 일부를 형성함으로써 프린팅되는 것인 방법.
  54. 제53항에 있어서, 상기 복수의 세포가 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  55. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템으로서, 개별적으로 또는 일괄적으로,
    (a) 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하고; 그리고
    (b) 상기 3D 구조체를 프린팅하기 위해 (a)로부터의 상기 컴퓨터 모델을 3D 프린터로 전송하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하며, 여기서, 상기 3D 구조체는 대상체에서 이식가능한 것인, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템.
  56. 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템으로서, 개별적으로 또는 일괄적으로,
    (a) 적어도 상기 표면 상의 상기 서브유닛에 결합된 다수의 관을 이용하여 컴퓨터 메모리에서 상기 서브유닛 및 상기 관을 포함하는 슈퍼유닛을 생성하고;
    (b) (a)에서 생성된 상기 슈퍼유닛을 하나 이상의 다른 슈퍼유닛과 조합하여 생물학적 물질에 상응하는 상기 3D 구조체의 컴퓨터 모델을 생성하도록 프로그래밍된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하는, 생물학적 기능을 수행하기 위한 표면을 갖는 서브유닛을 포함하는, 생물학적 물질에 상응하는 3차원(3D) 구조체를 생성하기 위한 시스템.
  57. 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 형성하는 방법으로서,
    (a) (i) 복수의 세포 및 (ii) 하나 이상의 중합체 전구체를 포함하는 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계; 및
    (b) 컴퓨터 메모리에서 3D 세포 함유 의료 장치를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 3차원(3D) 투영으로 패턴화되는 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 상기 매질 챔버 중의 상기 매질로 유도시켜 (i) 적어도 상기 복수의 세포의 부분집합, 및 (ii) 상기 하나 이상의 중합체 전구체로부터 형성된 중합체를 포함하는 상기 3D 세포 함유 매트릭스의 적어도 일부를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 형성하는 방법.
  58. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 폐포 구조체인 것인 방법.
  59. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 네프론 구조체인 것인 방법.
  60. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 모세혈관 구조체인 것인 방법.
  61. 제57항에 있어서, 상기 복수의 세포가 상기 대상체로부터의 것인 방법.
  62. 제57항에 있어서, 상기 복수의 세포가 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  63. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성하는 것인 방법.
  64. 제63항에 있어서, 상기 이식편이 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택되는 것인 방법.
  65. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터인 부피를 포함하는 것인 방법.
  66. 제57항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 혈관구조 또는 신경의 성장을 촉진시키는 제제를 추가로 포함하는 것인 방법.
  67. 제66항에 있어서, 상기 제제가 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 통증 완화제, 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체, 및 줄기 세포 증식제로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  68. 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 사용하는 방법으로서, 복수의 세포를 포함하는 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인 방법.
  69. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 폐포 구조체인 방법.
  70. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 네프론 구조체인 것인 방법.
  71. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 모세혈관 구조체인 것인 방법.
  72. 제68항에 있어서, 상기 복수의 세포가 상기 대상체로부터의 것인 방법.
  73. 제68항에 있어서, 상기 복수의 세포가 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 목록으로부터 선택되는 것인 방법.
  74. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성하는 것인 방법.
  75. 제74항에 있어서, 상기 이식편이 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부, 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택되는 것인 방법.
  76. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터인 부피를 포함하는 것인 방법.
  77. 제68항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 혈관구조 또는 신경의 성장을 촉진시키는 제제를 추가로 포함하는 것인 방법.
  78. 제77항에 있어서, 상기 제제가 성장 인자, 사이토카인, 케모카인, 항생제, 항응고제, 항염증제, 오피오이드 통증 완화제, 비오피오이드 통증 완화제, 면역 억제제, 면역 유도제, 단일클론 항체, 및 줄기 세포 증식제로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  79. 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 형성하는 방법으로서,
    (a) 제1 복수의 세포 및 제1 중합체 전구체를 포함하는 제1 매질을 포함하는 매질 챔버를 제공하는 단계;
    (b) 컴퓨터 메모리에서 상기 3D 세포 함유 매트릭스를 프린팅하기 위한 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 상기 매질 챔버 중의 상기 제1 매질로 유도시켜 상기 매질 챔버 중의 상기 제1 매질 중 적어도 일부가 상기 3D 세포 함유 매트릭스의 제1 부분을 형성하게 만드는 단계;
    (c) 상기 매질 챔버에 제2 매질을 제공하는 단계로서, 여기서, 상기 제2 매질은 제2 복수의 세포 및 제2 중합체 전구체를 포함하고, 여기서, 상기 제2 복수의 세포는 상기 제1 복수의 세포와 상이한 유형의 것인 단계; 및
    (d) 상기 컴퓨터 명령어에 따라 적어도 하나의 에너지 빔 경로를 따라서 적어도 하나의 에너지 빔을 상기 매질 챔버 중의 상기 제2 매질로 유도시켜 상기 매질 챔버 중의 상기 제2 매질 중 적어도 일부가 상기 3D 세포 함유 매트릭스의 제2 부분을 형성하게 만드는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스는 대상체에서 이식가능한 것인, 3차원(3D) 세포 함유 매트릭스를 형성하는 방법.
  80. 제79항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 폐포 구조체인 것인 방법.
  81. 제79항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 네프론 구조체인 것인 방법.
  82. 제79항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 모세혈관 구조체인 것인 방법.
  83. 제79항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 복수의 세포가 상기 대상체로부터의 것인 방법.
  84. 제79항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 복수의 세포가 기질 내피 세포, 내피 세포, 여포 망상 세포 또는 그의 전구체, 상피 세포, 메산지움 세포, 신장 사구체 체벽 세포, 신장 사구체 족세포, 신장 근위 세뇨관 솔 변연부 세포, 헨레 고리 얇은 세그먼트 세포, 두꺼운 상행지 세포, 신장 원위 세뇨관 세포, 집합관 주세포, 집합관 사이 세포, 간질 신장 세포, 입방 세포, 원주 세포, 폐포 타입 I 세포, 폐포 타입 II 세포, 폐포 대식세포, 및 폐세포로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  85. 제79항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 봉합사, 스텐트, 스테이플, 클립, 스트랜드, 패치, 이식편, 시트, 관, 핀, 또는 나사를 형성하는 것인 방법.
  86. 제85항에 있어서, 상기 이식편이 스킨 임플란트, 자궁 내벽, 신경 조직 임플란트, 방광 벽, 장 조직, 식도 내벽, 위 내벽, 모낭 내장형 피부 및 망막 조직으로 구성된 목록으로부터 선택되는 것인 방법.
  87. 제79항에 있어서, 상기 3D 세포 함유 매트릭스가 약 0.125 세제곱 나노미터 내지 약 1,000 세제곱 센티미터인 부피를 포함하는 것인 방법.
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