(57)【要約】【課題】脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度を向上させる。【解決手段】圧力調整装置は、加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器に接続され、その加圧気体の圧力を調整してその吐出器に注入するものである。この圧力調整装置は増圧部と吸引部とを備えており、この増圧部は、外部から供給される気体の圧力を増す増圧器とその気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を上記吐出器に注入する。また、吸引部は、気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し上記吐出器から気体を吸引する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器に接続され、該加圧気体の圧力を調整して該吐出器に注入する圧力調整装置であって、
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記吐出器に注入する増圧部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記吐出器から気体を吸引する吸引部と、
を備えたことを特徴とする圧力調整装置。
【請求項２】
前記吐出器から前記減圧器に至る流路と大気圧空間との間に接続され、該流路から該大気圧空間へ向かって順方向となっている逆流防止弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧力調整装置。
【請求項３】
前記吐出器から前記減圧器に至る流路に、流入量を制御しながら気体を流入させることで該流路における圧力を大気圧よりも低い範囲内で調整する流路調圧器を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の圧力調整装置。
【請求項４】
加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器と、
前記吐出器に接続され、前記加圧気体の圧力を調整して該吐出器に注入する圧力調整装置とを備え、
前記圧力調整装置が、
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記吐出器に注入する増圧部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記吐出器から気体を吸引する吸引器と、
を備えたものであることを特徴とする材料吐出装置。
【請求項５】
加圧気体が注入されることで構造形成用の材料を吐出する材料吐出器と、
加圧気体が注入されることで細胞を吐出する細胞吐出器と、
前記材料吐出器および前記細胞吐出器の位置を移動させる移動機と、
前記材料吐出器および前記細胞吐出器に接続され、前記加圧気体の圧力を調整して該材料吐出器および該細胞吐出器に注入する圧力調整装置とを備え、
前記圧力調整装置が、
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記材料吐出器に注入する増圧部と、
外部から供給される気体の圧力を増さずに前記細胞吐出器に注入する注入部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記材料吐出器から気体を吸引する吸引部と、
を備えたものであることを特徴とする造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の圧力を調整する圧力調整装置、臓器・組織を再生するための立体構造物の骨格などとなる構造材料を気体の圧力で吐出する材料吐出装置、および臓器・組織を造形する造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複雑な構造を有する臓器や組織を再生するための技術として、積層造形法を利用した臓器・組織造形技術が注目されている。このような臓器・組織造形技術は、再生医療のための最も有望な潜在的技術の１つである。公知の臓器・組織造形技術の１つとして、例えば特許文献１に代表されるインクジェット印刷技術が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、インクジェット印刷技術を臓器・組織造形技術に適用した場合、低粘度のゲルを用いる必要があった。このことから、高アスペクト比構造を形成したり、栄養素や酸素の輸送を促進する多孔質構造を形成したりすることが困難であった。さらに、この材料の処理のために毒性のある溶媒が使用され得るという問題があった。
【０００４】
以上のような問題を解決する手段として、特許文献２が見出された。この統合的な臓器・組織造形法の発明により、種々の役割を有する生存細胞群が正確に配置された、高強度の立体構造物を形成する方法が確立された。
【０００５】
高強度の立体構造物を支持するための骨格となる構造材料としては、任意の適切な生分解性樹脂や生体不活性な材料を適用することができるが、移植後に臓器・組織として完全に置き換わる必要性から、生体内で分解可能な生分解性樹脂を適用することがより好ましい。更に、毒性が発生し得る溶媒等を用いない加熱溶融積層法（Ｆｕｓｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ、以下「ＦＤＭ法」と記述する）を用いて形成することがより好ましい。以上に該当する公知技術の一つとして特許文献３がある。
【０００６】
しかしながら、構造材料に生分解性樹脂が選択された場合、熱分解性が高いため、造形可能な温度帯域（融点と分解開始温度との間）が狭い傾向にある。従って、生分解性樹脂を臓器・組織の骨格となる構造材料として用いる場合は、かなり高い粘度のままで造形加工を行う必要があるが、造形速度が遅いと細胞の生存率が低下し、臓器や組織として機能しないものになる。
【０００７】
上記特許文献３に記載の技術では、シリンジの上端開口部に備えられたステッピングモータに取り付けられてシリンジ内に挿入されたピストンロッドをシリンジ内部で上下方向に駆動させることによって、高粘度の生分解性樹脂を吐出させているが、材料の吐出量が変動する脈流が発生したり、シリンジ内の残圧による先端からの樹脂流出が発生したりといった問題があった。この結果、構造材料の細線が波打ってしまったり、細線の始点や終点に液溜まりが生じたりする現象が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７０５１６５４号公報
【特許文献２】米国出願公開第２０１２／００８９２３８号公報
【特許文献３】特許第４６４１０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧力調整装置は、加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器に接続され、その加圧気体の圧力を調整してその吐出器に注入するものである。この圧力調整装置は増圧部と吸引部とを備えており、この増圧部は、外部から供給される気体の圧力を増す増圧器とその気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を上記吐出器に注入する。また、吸引部は、気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し上記吐出器から気体を吸引する。
【００１１】
このような圧力調整装置によれば、増圧部から吐出器に連続的に注入される気体によって、材料を脈流なく素早く連続的に吐出することが可能となる一方で、吸引部による吸引で素早く吐出を停止させて液漏れによる液溜まりも防ぎ、高粘性の材料であっても造形速度を総合的に向上させることができる。
【００１２】
本発明の圧力調整装置において、上記吐出器から上記減圧器に至る流路と大気圧空間との間に接続され、その流路からその大気圧空間へ向かって順方向となっている逆流防止弁を備えていることが好適である。
【００１３】
このような圧力調整装置によれば、逆流防止弁という簡易な構成要素によって上記流路の圧力を素早く下げることができ、素早い吐出停止を簡易な構成で実現することができる。
【００１４】
また、本発明の圧力調整装置において、上記吐出器から上記減圧器に至る流路に、流入量を制御しながら気体を流入させることでその流路における圧力を大気圧よりも低い範囲内で調整する流路調圧器を備えることも好適である。
【００１５】
このような圧力調整装置によれば、上記吸引部による吸引の強さが適切に調整されることで、再吐出時にも素早く吐出を開始することができる。
【００１６】
本発明の材料吐出装置は、加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器と、上記吐出器に接続された上記圧力調整装置とを備えている。このような材料吐出装置によれば、上述したように、材料の素早い吐出とともに吐出の素早い停止も実現できるため、造形速度の向上に寄与する。
【００１７】
本発明の造形装置は、加圧気体が注入されることで構造材料を吐出する「材料吐出器」と、加圧気体が注入されることで細胞や培養液等を含む溶媒を吐出する「細胞吐出器」と、上記材料吐出器および上記細胞吐出器の位置を移動させる移動機と、上記材料吐出器および上記細胞吐出器に接続され、上記加圧気体の圧力を調整してそれら材料吐出器および細胞吐出器に注入する圧力調整装置とを備えている。そして、この圧力調整装置は、増圧部と注入部と吸引部とを備えており、増圧部は、上記増圧器と上記調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を上記材料吐出器に注入する。また、注入部は、外部から供給される気体の圧力を増さずに上記細胞吐出器に注入し、吸引部は、気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、上記材料吐出器および上記細胞吐出器から気体を吸引する。
【００１８】
細胞吐出器に加えることが可能な圧力は、加圧による細胞の壊死を防ぐために大よそ１００ｋＰａ以下と極めて低いが、このような造形装置によれば、構造形成用の材料については増圧した気体によって吐出速度を増す一方で、細胞や培養液等を含む溶媒については増圧しない気体で吐出することで高い制御性を保ちつつ細胞の劣化を防ぎ、細胞が生きている間に造形を完了させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の材料吐出装置の一実施形態に相当するディスペンシングユニットの構成を概略的に示す図である。
【図２】圧力コントローラの内部構成を示す図である。
【図３】制御回路による動作制御を表すフローチャートである。
【図４】第２実施形態における増圧部の内部構成を示す図である。
【図５】第２実施形態における増圧部の動作制御を表すフローチャートである。
【図６】第３実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。
【図７】第３実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。
【図８】第４実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。
【図９】第４実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。
【図１０】本発明の造形装置の一実施形態に相当する臓器造形システムを示す概略構成図である。
【図１１】臓器造形システムにおける圧力コントローラの内部構成を示す図である。
【図１２】臓器造形システムの圧力コントローラにおける切り換え操作を表した操作表である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態について、以下図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の材料吐出装置の一実施形態に相当するディスペンシングユニットの構成を概略的に示す図である。
【００２３】
図１に示すディスペンシングユニット１は、ディスペンシングユニット１の全体を制御する制御器として動作するパーソナルコンピュータ１０と、シリンジ２１を３軸ステージで移動させながら材料を吐出する吐出機２０と、パーソナルコンピュータ１０の指示に従って吐出機２０の３軸ステージ（Ｘ，Ｙ，Ｚステージ）の駆動を制御する３軸ステージコントローラ３０と、吐出機２０のシリンジ２１に対して気体注入と吸引とを行うために気体圧力を制御する圧力コントローラ４０とを備えている。
【００２４】
シリンジ２１は構造材料を内包しており、構造材料を加熱するヒータユニット２２内に収納されて３軸ステージのアームに保持されている。ヒータユニット２２は加熱コントローラ２３によって制御されている。
【００２５】
圧力コントローラ４０には、外部空圧設備５０から供給される高圧気体の圧力を増加させる増圧部４１と、シリンジ２１から気体を吸引する吸引部４２と、それら増圧部４１および吸引部４２の動作を制御する制御回路４３が備えられている。
【００２６】
パーソナルコンピュータ１０は、３軸ステージコントローラ３０から位置情報を入手するとともに、圧力コントローラ４０の制御回路４３から増圧部４１および吸引部４２の稼働情報を入手する。そしてパーソナルコンピュータ１０は、造形する立体物の形状に基づいて、３軸ステージコントローラ３０を介して吐出機２０に位置移動を指示するとともに、圧力コントローラ４０に吐出の開始や停止を指示する。これにより、シリンジ２１の位置とシリンジ２１からの材料吐出が連携して所望の立体形状が造形されることとなる。なお、ディスペンシングユニット１の制御器の一例として本実施形態ではパーソナルコンピュータ１０が採用されているが、制御器としてはＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等の制御に関わることが可能なあらゆる機器を採用することが可能である。
【００２７】
圧力コントローラ４０は、本発明の圧力調整装置の一実施形態に相当し、吐出機２０のシリンジ２１は、本発明の材料吐出装置にいう吐出器の一例に相当する。
【００２８】
図２は、圧力コントローラの内部構成を示す図である。
【００２９】
上述したように、圧力コントローラ４０には、増圧部４１と吸引部４２と制御回路４３が備えられているが、図２では制御回路４３と制御用の信号路は図示が省略されている。
【００３０】
増圧部４１には、増圧弁４０１と気体蓄積容器４０２と減圧弁４０３と第１圧力センサ４０４と第２圧力センサ４０５と分岐路開閉弁４０６と保圧用開閉弁４０７が備えられている。増圧弁４０１は本発明にいう増圧器の一例に相当する。
【００３１】
減圧弁４０３の開度は制御回路４３で調整され、第１圧力センサ４０４と第２圧力センサ４０５による検出値は制御回路４３へと送られ、分岐路開閉弁４０６と保圧用開閉弁４０７の開閉動作は制御回路４３からの指示で実行される。
【００３２】
外部空圧設備５０から供給された高圧気体は、増圧弁４０１による圧縮で増圧され、その後、気体蓄積容器４０２を介して減圧弁４０３に流入し、減圧弁４０３によって調圧される。減圧弁４０３による調圧は、増圧弁４０１で増圧された圧力よりも低い圧力範囲で制御可能となるが、増圧弁４０１から供給される圧縮気体の脈動による圧力変化が生じる。気体蓄積容器４０２は必ずしも必要ではないが、脈動を低減させるためには有効であり、少なくとも増圧弁４０１内に蓄積可能な圧縮気体の最大容量と同等かそれを超える容量を有していることがより好ましい。
【００３３】
減圧弁４０３で調圧された圧縮気体は、保圧用開閉弁４０７が閉じられていることによって圧縮増圧状態が保持される。保圧用開閉弁４０７は吐出機２０のシリンジ２１に接続されており、保圧用開閉弁４０７が開放されると圧縮気体はシリンジ２１に供給される。分岐路開閉弁４０６は、圧縮気体の開放弁として分岐接続されている。
【００３４】
第１圧力センサ４０４は増圧弁４０１と減圧弁４０３との間に備えられており、増圧弁４０１によって増圧された気体の圧力を連続的に監視している。第２圧力センサ４０５は減圧弁４０３と保圧用開閉弁４０７との間に備えられており、減圧弁４０３によって調圧された気体の圧力を連続的に監視している。
【００３５】
吸引部４２は増圧部４１と吐出機２０のシリンジ２１との間に分岐接続されている。吸引部４２には、真空排気ポンプ４０８と開閉弁４０９と逆止弁４１０と速度制御弁４１１と補助排気弁４１２と圧力センサ４１３が備えられている。真空排気ポンプ４０８は本発明にいう減圧器の一例に相当する。
【００３６】
真空排気ポンプ４０８の吸気速度と速度制御弁４１１の開度は制御回路４３によって調整され、圧力センサ４１３による検出値は制御回路４３へと送られ、開閉弁４０９の開閉動作は制御回路４３からの指示で実行される。
【００３７】
真空排気ポンプ４０８は開閉弁４０９を通じて吐出機２０のシリンジ２１に接続されている。真空排気ポンプ４０８と開閉弁４０９との間には、流路内(配管内)が正圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁が補助排気弁４１２として分岐接続されている。この補助排気弁４１２は、配管内およびシリンジ２１内に残存した加圧気体をシステム外に迅速に放出する役割を有しており、この補助排気弁４１２により、残存気体を真空排気ポンプ４０８の排気速度や配管内の排気抵抗に大きく依存することなく放出することができる。残存気体の迅速な放出によりシリンジ２１の材料吐出を素早く停止することができ、逆止弁が採用されることで簡易な構成で実現されている。この補助排気弁４１２は、排気抵抗の影響を避けるため、できる限り開閉弁４０９に近づけて設置することが好ましい。
【００３８】
一方、シリンジ２１と開閉弁４０９との間には、流路内(配管内)が負圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁４１０と、逆止弁４１０に直列接続された速度制御弁４１１とが分岐接続されている。この速度制御弁４１１が、吸引部４２における排気圧(吸引力)を調整する役割を担っている。この速度制御弁４１１の開度を変更することによって、自在に排気圧を変更することが可能となる。排気圧(吸引力)が適切に調整されることで、シリンジ２１による材料の再吐出時にも素早く吐出を開始することができる。また、逆止弁４１０は配管内が負圧である場合のみに流路を外気と接続させるために用いられている。逆止弁４１０の存在によって、増圧部４１によるシリンジ２１への加圧操作に影響を与えることなく、負圧のみを除去することが可能となる。圧力センサ４１３はシリンジ２１と開閉弁４０９との間に備えられており、速度制御弁４１１によって調整された排気圧を連続的に監視している。
【００３９】
真空排気ポンプ４０８に関しては、ベンチュリー効果を利用した真空排気機構等を代わりに用いた実施形態も考えられる。また、排気圧についてより細かいフィードバック制御を行いたい場合は、逆止弁４１０と速度制御弁４１１との組み合わせを用いる代わりに比例制御弁を用いた実施形態が好ましい。逆に、排気圧についてはフィードバック制御を行わないで、速度制御弁４１１の開度を手動で設定する実施形態も考えられる。
【００４０】
ここで、制御回路４３による増圧部４１と吸引部４２の動作制御について説明する。
【００４１】
図３は、制御回路による動作制御を表すフローチャートである。
【００４２】
このフローチャートのステップＳ１０７までは増圧部４１の動作制御となっており、ステップＳ１０８以降は吸引部４２の動作制御となっている。
【００４３】
このフローチャートに示す動作制御は、圧力コントローラの電源が投入されると開始され、まずステップＳ１０１では、増圧部４１の第１圧力センサ４０４から圧力の検出値（指示圧）Ｐ1が取得され、その検出値Ｐ1がｘＰ0（ｘは増圧弁４０１の増圧率、Ｐ0は外部空圧設備５０からの供給圧）に対して設定許容誤差α内で一致しているか否か判定される。判定の結果、設定許容誤差αを超えて不一致であった場合には、第１圧力センサ４０４の検出値が異常であることを示す動作異常アラームなどが発報されて使用者に異常が知らされると共に、高圧を開放するために分岐路開閉弁４０６が開かれたり、使用者による対応処置のために一時停止されたりといった処理が実行される（ステップＳ１０２）。その後、使用者による対応処置などを経て動作が再開されると制御はステップＳ１０１へと戻る。
【００４４】
ステップＳ１０１における判定で、第１圧力センサ４０４の検出値（指示圧）Ｐ1がｘＰ0に対して設定許容誤差α内で一致している場合には、増圧弁４０１によって正常に増圧されていることとなり、ステップＳ１０３に進んで、増圧部４１の第２圧力センサ４０５から圧力の検出値（指示圧）Ｐ2が取得される。その検出値は、ステップＳ１０３で増圧部４１の出力圧としての設定値Ｐと比較され、設定許容誤差βを超えて不一致であった場合には、ステップＳ１０４に進んで減圧弁４０３の開度が調整される。開度調整後はステップＳ１０３に戻って検出値（指示圧）Ｐ2の取得と比較が繰り返される。ここで設定値Ｐは、第１圧力センサ４０４の検出値Ｐ1を超さない値に設定されているが、更に安定した圧力制御を行うためには、減圧弁４０３に流入する圧縮気体に発生する脈動による最大減少圧ｄＰを差し引いた値（Ｐ1−ｄＰ）を超さない範囲で設定されることがより好ましい。
【００４５】
ステップＳ１０３における判定で、第２圧力センサ４０５の検出値（指示圧）Ｐ2が設定値Ｐに対して設定許容誤差β内で一致している場合には、増圧部４１の出力圧が正常であることとなり、ステップＳ１０５に進む。
【００４６】
ステップＳ１０５では、図１に示すパーソナルコンピュータ１０から入力される吐出信号が取得され、吐出信号が吐出オンを示していると保圧用開閉弁４０７が開かれて（ステップＳ１０６）、シリンジ２１からの材料吐出が開始する。一方、吐出信号が吐出オフを示していると保圧用開閉弁４０７が閉じられ（ステップＳ１０７）、吸引部４２の開閉弁４０９が開かれる（ステップＳ１０８）。これにより、シリンジ２１の残存気体が補助排気弁４１２から速やかに放出される。また、真空排気ポンプ４０８の動作も開始され、シリンジ２１からの材料吐出が停止する。
【００４７】
その後ステップＳ１０９に進んでパーソナルコンピュータ１０から入力される吸気信号が取得され、吸気信号が吸気オンを示していると吸引部４２の圧力センサ４１３から圧力の検出値（指示圧）が取得される（ステップＳ１１０）。圧力センサ４１３の検出値は、設定された排出圧と比較され、許容誤差を超えて不一致である場合（ステップＳ１１０；ＮＧ）はステップＳ１１１で速度制御弁４１１の開度が変更される。開度の変更後はステップＳ１１０に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。そして、圧力センサ４１３の検出値が許容誤差内で設定排出圧に一致すると（ステップＳ１１０；ＯＫ）、ステップＳ１０８に制御が戻る。
【００４８】
吸気信号が吸気オンを示している間は、ステップＳ１０８〜ステップＳ１１１の処理により、設定排出圧による吸引が行われ、シリンジ２１の先端に残った材料がシリンジ２１内に引き込まれる。これにより、吐出済みの材料とシリンジ２１内の材料とが分離される。速度制御弁４１１によって排出圧が調整されているので、材料の引き込みに適した排出圧が実現されている。
【００４９】
パーソナルコンピュータ１０からは、シリンジ２１内に材料が過剰に引き込まれないうちに吸気オフを示す吸気信号が入力され、ステップＳ１０９で吸気オフが確認されると吸引部４２の開閉弁４０９が閉じられる（ステップＳ１１２）。その後、制御は増圧部４１側のステップＳ１０３に戻る。
【００５０】
このように、本実施形態の圧力コントローラでは、増圧された気体による素早い材料吐出と、吸引による素早い吐出停止との双方が行われるので、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度が向上する。
【００５１】
以上で、図１に示す第１実施形態の説明を終了し、次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、圧力コントローラの増圧部の構造が異なっている点を除いて第１実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第１実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。
【００５２】
図４は、第２実施形態における増圧部の内部構成を示す図である。
【００５３】
第２実施形態における増圧部４４は、第１実施形態と同様に、増圧弁４０１と気体蓄積容器４０２と分岐路開閉弁４０６と保圧用開閉弁４０７が備えられている。一方、第２実施形態では、減圧弁４１４が増圧弁４０１よりも上流に備えられており、分岐路開閉弁４０６には速度制御弁４１５が直列に接続されている。また、第１圧力センサ４１６は減圧弁４１４と増圧弁４０１との間に備えられており、減圧弁４１４によって調圧された気体の圧力を連続的に監視している。第２圧力センサ４１７は増圧弁４０１と保圧用開閉弁４０７との間に備えられており、増圧弁４０１によって増圧された気体の圧力を連続的に監視している。
【００５４】
なお、第２実施形態でも第１実施形態と同様に、増圧弁４０１の増圧率や減圧弁４１４の開度は制御回路４３で調整され、第１圧力センサ４１６と第２圧力センサ４１７による検出値は制御回路４３へと送られ、分岐路開閉弁４０６と保圧用開閉弁４０７の開閉動作および速度制御弁４１５の開度設定は制御回路４３からの指示で実行される。
【００５５】
第２実施形態では、外部空圧設備５０から供給された高圧気体は、減圧弁４１４によって調圧されたのち、増圧弁４０１にて圧縮増圧され、気体蓄積容器４０２に蓄えられる。蓄えられた圧縮気体は、分岐路開閉弁４０６と保圧用開閉弁４０７が閉じられることによって圧縮増圧状態が保持される。保圧用開閉弁４０７は吐出機２０のシリンジ２１に接続されており、保圧用開閉弁４０７が開放されると圧縮気体はシリンジ２１に供給される。
【００５６】
ここで、第２実施形態における増圧部４４の動作制御について説明する。
【００５７】
図５は、第２実施形態における増圧部の動作制御を表すフローチャートである。
【００５８】
このフローチャートに示す動作制御は、圧力コントローラの電源が投入されると開始される。動作制御が開始されると、まずステップＳ２０１では、第１圧力センサ４１６の検出値（指示圧）Ｐ3と第２圧力センサ４１７の検出値（指示圧）Ｐ4が取得され、Ｐ4とｘＰ3（ｘは増圧弁４０１の増圧率）が設定許容誤差β内で一致しているか否か判定される。ここで増圧率ｘは、ｘＰ3が外部空圧設備５０からの供給圧Ｐ0を上回るように設定されているものとする。
【００５９】
ステップＳ２０１における判定の結果、Ｐ4が設定許容誤差βを超えてｘＰ3を下回っている場合は、分岐路開閉弁４０６が閉じられ（ステップＳ２０２）、減圧弁４１４の開度が増圧方向に変更される（ステップＳ２０３）。その後、制御はステップＳ２０１に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。
【００６０】
ステップＳ２０１における判定の結果、Ｐ4が設定許容誤差βを超えてｘＰ3を上回っている場合は、分岐路開閉弁４０６が開かれて（ステップＳ２０４）圧力が低減される。本実施形態では、速度制御弁４１５の開度設定は変更されないものとするが、より細かいフィードバック制御を行いたい場合は、分岐路開閉弁４０６と速度制御弁４１５の組み合わせに代えて比例制御弁を用いることが好ましい。また、圧力低減のためには速度制御弁４１５は必ずしも必要ではないが、速度制御弁４１５によって排気速度を調整することにより、第１圧力センサ４１６の検出値Ｐ3と第２圧力センサ４１７の検出値Ｐ4との比較による圧力制御がより容易となる。ステップＳ２０４で圧力が低減された後は、ステップＳ２０１に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。
【００６１】
ステップＳ２０１における判定の結果、Ｐ4が設定許容誤差β内でｘＰ3と一致している場合には、出力圧が正常であることとなり、ステップＳ２０５に進む。
【００６２】
ステップＳ２０５では、図１に示すパーソナルコンピュータ１０から入力される吐出信号が取得され、吐出信号が吐出オンを示していると保圧用開閉弁４０７が開かれて（ステップＳ２０６）、シリンジ２１からの材料吐出が開始する。一方、吐出信号が吐出オフを示していると保圧用開閉弁４０７が閉じられ（ステップＳ２０７）、吸引部の動作制御に移行する。
【００６３】
吸引部の動作制御は第１実施形態における動作制御と同様であり、吸引部から増圧部に動作制御が移行してくるとステップＳ２０１からの動作制御が繰り返される。
【００６４】
以上で第２実施形態の説明を終了し、次に、第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、圧力コントローラの吸引部の構造が異なっている点を除いて第１実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第１実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。
【００６５】
図６は、第３実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。
【００６６】
第３実施形態における吸引部４５では、図２に示す開閉弁４０９に代えて三方弁４１８が備えられており、真空排気ポンプ４０８が三方弁４１８の出力側の一端を通じてシリンジ２１に接続されている。三方弁４１８の出力側のもう一端には、流路内(配管内)が負圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁４１９が接続されている。この逆止弁４１９は配管内が負圧である場合のみに流路を外気と接続させるために用いられている。また、この逆止弁４１９を介して流路は速度調整弁を経ずに外気と接続されるため、三方弁４１８が逆止弁４１９側の一端に切り替えられると、シリンジ２１と真空排気ポンプ４０８との接続が切断されるとともにシリンジ２１の負圧が速やかに除去されることとなる。
【００６７】
図７は、第３実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。
【００６８】
増圧部の動作制御から吸引部４５の動作制御へと移行してくると、真空排気ポンプ４０８に接続された三方弁４１８の第１端が開かれる（ステップＳ３０１）。これにより、シリンジ２１の残存気体が補助排気弁４１２から速やかに放出され、真空排気ポンプ４０８の動作も開始されて、シリンジ２１からの材料吐出が停止する。
【００６９】
その後ステップＳ３０２に進んでパーソナルコンピュータ１０から入力される吸気信号が取得され、吸気信号が吸気オンを示していると吸引部４５の圧力センサ４１３から圧力の検出値（指示圧）が取得される（ステップＳ３０３）。圧力センサ４１３の検出値は、設定された排出圧と比較され、許容誤差を超えて不一致である場合（ステップＳ３０３；ＮＧ）はステップＳ３０４で速度制御弁４１１の開度が変更される。開度の変更後はステップＳ３０３に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。そして、圧力センサ４１３の検出値が許容誤差内で設定排出圧に一致すると（ステップＳ３０３；ＯＫ）、ステップＳ３０１に制御が戻る。
【００７０】
吸気信号が吸気オンを示している間は、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０４の処理が繰り返され、吸気オフを示す吸気信号が取得されると（ステップＳ３０２；ＯＦＦ）、三方弁４１８の第１端が閉じられ、逆止弁４１９に接続された第２端が開かれる（ステップＳ３０５）。これにより逆止弁４１９を介して速やかにシリンジ２１の負圧が解消され、シリンジ２１への材料の引き込み過剰が防止される。その後、制御は増圧部に移行する。
【００７１】
以上で第３実施形態の説明を終了し、次に、第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、吸引部の構造の一部が異なっている点を除いて第３実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第３実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。
【００７２】
図８は、第４実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。
【００７３】
図６に示す第３実施形態では逆止弁４１０と速度制御弁４１１との組み合わせにより排気圧が調整されていたのに代えて、図８に示すように第４実施形態の吸引部４６では、真空減圧弁４２０で排気圧が調整される。真空減圧弁４２０は、真空排気ポンプ４０８と三方弁４１８との間に配備されている。
【００７４】
図９は、第４実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。
【００７５】
このフローチャートのステップＳ４０１，Ｓ４０２，Ｓ４０３，Ｓ４０５における各処理は、図７に示すフローチャートのステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３０３，Ｓ３０５における各処理と同様である。そして、図９のフローチャートのステップＳ４０４では、真空減圧弁４２０の開度が変更されて排気圧が調整される。
【００７６】
このように真空減圧弁４２０で排気圧が調整される第４実施形態でも、第３実施形態と同様にシリンジ２１からの吸引を行うことができる。
【００７７】
以上で第４実施形態の説明を終了し、次に、本発明の造形装置の一実施形態について説明する。
【００７８】
図１０は、本発明の造形装置の一実施形態に相当する臓器造形システムを示す概略構成図である。
【００７９】
図１０に示す臓器造形システム２は、図１に示すディスペンシングユニット１と同様に、パーソナルコンピュータ１０、吐出機２０、および３軸ステージコントローラ３０を備えている。臓器造形システム２では、吐出機２０に複数のシリンジ２１，２４が保持されており、各シリンジ２１，２４に対して気体注入と吸引とを行うために気体圧力を制御する圧力コントローラ６０も備えられている。
【００８０】
複数のシリンジ２１，２４のうち、第１のシリンジ２１には構造材料を内包しており、構造材料を加熱するヒータユニット２２内に収納されて３軸ステージのアームに保持されている。ヒータユニット２２は加熱コントローラ２３によって制御されている。
【００８１】
複数のシリンジ２１，２４のうち、複数の第２のシリンジ２４には各々が細胞や培養液等を含む溶媒を内包しており、３軸ステージのアームに保持されている。
【００８２】
圧力コントローラ６０には、外部空圧設備５０から供給される高圧気体の圧力を増加させる増圧部６１と、シリンジ２１，２４から気体を吸引する吸引部６２と、複数のシリンジ２１，２４に対して増圧部６１および吸引部６２を接続し遮断する開閉弁群６４と、それら増圧部６１、吸引部６２、および開閉弁群６４の動作を制御する制御回路６３が備えられている。
【００８３】
臓器造形システム２におけるパーソナルコンピュータ１０は、３軸ステージコントローラ３０を介した吐出機２０に対する位置移動の指示や、吐出の開始や停止の指示の他に、シリンジ２１，２４の選択指示も行う。これらの指示により、シリンジ２１，２４の位置移動と材料や細胞の吐出が連携して所望の臓器の立体形状が造形されることとなる。
【００８４】
圧力コントローラ６０は、本発明の圧力調整装置の第５実施形態に相当し、吐出機２０の第１のシリンジ２１は、本発明の造形装置にいう材料吐出器の一例に相当し、吐出機２０の第２のシリンジ２４は、本発明の造形装置にいう細胞吐出器の一例に相当する。
【００８５】
図１１は、臓器造形システムにおける圧力コントローラの内部構成を示す図である。
【００８６】
上述したように、圧力コントローラ６０には、増圧部６１と吸引部６２と制御回路６３と開閉弁群６４が備えられているが、図１１では制御回路６３と制御用の信号路は図示が省略されている。
【００８７】
増圧部６１は内部で２つの流路に分岐しており、第１のシリンジ２１に接続される第１流路は、図２に示す増圧部４１と同じ構成となっている。一方、第２のシリンジ２４に接続される第２流路には、外部空圧設備５０から供給された高圧気体を調圧する減圧弁６０１と、減圧弁６０１により調圧された気体の圧力を監視して調圧のフィードバック制御に用いられる圧力センサ６０２と、調圧された気体の圧力を保持する開閉弁６０３が備えられている。この第２流路によって第２のシリンジ２４には、外部空圧設備５０から供給された高圧気体が増圧されずに注入されることとなる。第１流路は、本発明の造形装置にいう増圧部の一例に相当し、第２流路は、本発明の造形装置にいう注入部の一例に相当する。
【００８８】
吸引部６２は、図２に示す吸引部４２に三方弁６０４が追加された構造となっている。三方弁６０４の入力側の第１端は第１のシリンジ２１に接続されており、第２端は第２のシリンジ２４に接続されている。
【００８９】
開閉弁群６４には、複数のシリンジ２１，２４と同数の開閉弁６０５が備えられており、１番目の開閉弁６０５は第１のシリンジ２１に接続され、２番目以降の開閉弁６０５は複数の第２のシリンジ２４に１つずつ接続されている。
【００９０】
ここで、圧力コントローラ６０によって各シリンジ２１，２４における吐出と吸引を切り換える操作について説明する。
【００９１】
図１２は、臓器造形システムの圧力コントローラにおける切り換え操作を表した操作表である。
【００９２】
この操作表では、圧力コントローラ６０が有する各弁の操作状態が示されている。表中の文字「Ｏ」は弁の開操作を表し、表中の文字「Ｃ」は弁の閉操作を表している。また、各弁やシリンジを区別するために図１１中の符号が用いられている。
【００９３】
第１のシリンジ２１における吐出の際には、圧力コントローラ６０では、増圧部６１の第１流路の保圧用開閉弁４０７が開かれ、第２流路の開閉弁６０３は閉じられる。また、吸引部６２の開閉弁４０９は閉じられ、三方弁６０４は第１端が開かれる。そして、開閉弁群６４では、第１のシリンジ２１に接続された１番目の開閉弁６０５が開かれ、２番目以降の開閉弁６０５は全て閉じられる。このような操作により、増圧部６１の第１流路から加圧気体が第１のシリンジ２１に注入されて構造材料の吐出が行われる。第１のシリンジ２１における吐出を止めて吸引する場合には、増圧部６１の第１流路の保圧用開閉弁４０７が閉じられ、吸引部６２の開閉弁４０９が開かれる。
【００９４】
一方、第２のシリンジ２４における吐出の場合には、増圧部６１の第１流路の保圧用開閉弁４０７が閉じられ、第２流路の開閉弁６０３は開かれる。また、吸引部６２の開閉弁４０９は閉じられ、三方弁６０４は第２端が開かれる。そして、例えば複数の第２のシリンジ２４のうち１番目の吐出であれば、開閉弁群６４の開閉弁６０５のうち、第２のシリンジ２４の１番目に接続されている、２番目の開閉弁６０５が開かれて、他の開閉弁６０５は全て閉じられる。このような操作により、増圧部６１の第２流路から気体が第２のシリンジ２４に注入されて細胞の吐出が行われる。第２のシリンジ２４における吐出を止めて吸引する場合には、増圧部６１の第２流路の開閉弁６０３が閉じられ、吸引部６２の開閉弁４０９が開かれる。
【００９５】
このような操作によって各シリンジ２１，２４における吐出と吸引が制御され、構造材料と細胞とが組み合わされた臓器が造形されることとなる。また、構造材料の吐出時には増圧された気体で素早い吐出が図られる一方で、細胞の吐出時には増圧しない気体を用いて低圧であっても高い制御性を有する状態で吐出することにより細胞の生存性の向上が図られている。
【符号の説明】
【００９６】
１    ディスペンシングユニット
２    臓器造形システム
２０    吐出機
２１，２４    シリンジ
３０    ３軸ステージコントローラ
４０，６０    圧力コントローラ
４１，４４，６１    増圧部
４２，４５，４６，６２    吸引部
４３，６３    制御回路
【図１】
2016144869.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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