(57)【要約】      （修正有）【課題】生分解性樹脂の劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することが出来る３次元造形用の加熱器の提供。【解決手段】造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器２２と、保持器２２に保持された吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器２２６とを備える三次元造形用の加熱装置。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
を備えたことを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
前記加熱器が、前記ノズルとの距離が異なる複数の加熱素子を備え、該ノズルに近い加熱素子ほど高温で加熱することを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
前記加熱器が、前記吐出器内に挿入されて前記材料を吐出前に局所的に加熱する内部加熱素子を備えたものであることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】
前記保持器が、前記ノズルに向かうほど熱の伝導が速い熱伝導体で前記吐出器を保持するものであり、
前記加熱器が、前記熱伝導体を介して前記吐出器を加熱することで前記熱勾配を作るものであることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
【請求項５】
前記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態でその空洞層の更に外を覆うとともに、断熱材料を介して前記保持器を支持している筐体を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の加熱装置。
【請求項６】
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器と、
前記吐出器を加熱する加熱装置とを備え、
前記加熱装置が、
前記吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
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７】
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する材料吐出器と、
細胞を内蔵し、該細胞をノズルから吐出する細胞吐出器と、
前記材料吐出器を加熱する加熱装置と、
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装置とを備え、
前記加熱装置が、
前記材料吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された材料吐出器を、前記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、
を備えたものであることを特徴とする造形装置。
【請求項８】
造形用の材料を内蔵し、該材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、
前記保持器に保持された吐出器を加熱する加熱器と、
断熱材料を介して前記保持器を前記ノズルからの距離が異なる複数箇所で支持しするとともに、該複数箇所の間で前記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態で、その空洞層の更に外を覆った筐体と、
を備えたことを特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱装置、材料吐出装置、および造形装置に関する。
【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】
上述した加熱溶融積層法に適用可能な生分解性樹脂として、例えばＰＬＬＡやＰＣＬ、ＰＧＡ等が挙げられるが、これらの樹脂の溶融吐出を可能にするためには、少なくとも１００℃から３００℃程度まで加熱制御することが可能な加熱装置を適用することが必要である。しかしながら、非特許文献１による研究により、加熱を継続し続けると生分解性樹脂の分子構造が分解・破壊され徐々に劣化していくことが明らかにされている。日特許文献１ではＰＬＧＡを扱っているが、他の生分解性樹脂に関しても同様の問題が発生し得ることが明らかとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓｈｉｍ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＢｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ  ２１  （２０１０）  １０６９−１０８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、生分解性樹脂の劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の加熱装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器を、そのノズルからの距離が異なる複数箇所で保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を加熱する加熱器と、断熱材料を介して上記保持器を上記ノズルからの距離が異なる複数箇所で支持しするとともに、それら複数箇所の間で上記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態で、その空洞層の更に外を覆った筐体と、を備えることで高い熱遮蔽能力が得られることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の加熱装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
このような加熱装置によれば、熱勾配による加熱のため、ノズルからの吐出直前で材料の温度を上げることができるとともに、ノズルから遠くて吐出まで時間が掛かる材料については加熱を抑えることができる。これにより、造形材料が生分解性樹脂であっても加熱による劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。
【００１３】
本発明の加熱装置において、上記加熱器が、上記ノズルとの距離が異なる複数の加熱素子を備え、そのノズルに近い加熱素子ほど高温で加熱することが好適である。
【００１４】
このような加熱装置によれば、複数の加熱素子それぞれを個別に制御して温度勾配を自在に形成することができる。
【００１５】
または、本発明の加熱装置において、上記加熱器が、上記吐出器内に挿入されて上記材料を吐出前に局所的に加熱する内部加熱素子を備えたものであることも好適である。内部加熱素子による局所的な加熱で温度勾配が効率的に形成される。
【００１６】
または、本発明の加熱装置において、上記保持器が、上記ノズルに向かうほど熱の伝導が速い熱伝導体で上記吐出器を保持するものであり、上記加熱器が、上記熱伝導体を介して上記吐出器を加熱することで上記熱勾配を作るものであることも好適である。熱伝導体による熱伝導の相違によって熱勾配が自ずと形成される。
【００１７】
本発明の加熱装置は、上記吐出器の周囲に空洞層を形成した状態でその空洞層の更に外を覆うとともに、断熱材料を介して上記保持器を支持している筐体を備えることが更に好適である。
【００１８】
上記特許文献２のように、細胞等の生体成分が入ったシリンジが近接して設けられる場合、小型の加熱装置が求められるが、例えば３００℃もの高温に加熱した場合、従来の吐出装置に用いられている断熱材にて被覆するだけでは、隣接するシリンジまで熱が伝わって細胞などへ熱ダメージを与えてしまいかねない。これに対し、上記筐体によって形成される加熱装置は熱の遮断能力に優れ、小型の加熱装置が実現できる。
【００１９】
本発明の材料吐出装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する吐出器と、上記吐出器を加熱する加熱装置とを備え、上記加熱装置が、上記吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたものであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の造形装置は、造形用の材料を内蔵し、その材料をノズルから吐出する材料吐出器と、細胞を内蔵し、その細胞をノズルから吐出する細胞吐出器と、上記材料吐出器を加熱する加熱装置と、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装置とを備え、上記加熱装置が、上記材料吐出器を保持する保持器と、上記保持器に保持された材料吐出器を、上記ノズルに向かうほど高温となる熱勾配を作って加熱する加熱器と、を備えたものであることを特徴とする。
【００２１】
このような材料吐出装置および造形装置によれば、熱勾配による加熱のため、造形材料が生分解性樹脂であっても加熱による劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、生分解性樹脂の劣化を抑制しながら充分に高温まで加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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２】アームに保持された複数のシリンジを示す斜視図である。
【図３】ヒータユニットの正面図である。
【図４】ヒータユニットの上面図である。
【図５】ヒータユニットの縦断面を示す断面図である。
【図６】ヒータユニットの横断面を示す断面図である。
【図７】ヒータの制御例を示すグラフである。
【図８】ヒータユニットの断熱能力を表したグラフである。
【図９】本発明の加熱装置における第２の加熱構造の例を表す図である。
【図１０】本発明の加熱装置における第３の加熱構造の例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２５】
図１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。
【００２６】
図１に示す臓器造形システム１は、臓器造形システム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、複数のシリンジ２１，２４を３軸ステージで移動させながら造形材料や細胞を吐出する吐出機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とを備えている。吐出機２０は本発明の吐出装置の一実施形態に相当する。
【００２７】
複数のシリンジ２１，２４のうち、第１のシリンジ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。ヒータユニット２２は本発明の加熱装置の一実施形態に相当する。
【００２８】
複数のシリンジ２１，２４のうち、複数の第２のシリンジ２４は各々が細胞や培養液など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。
【００２９】
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。
【００３０】
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６０の制御回路６３から増圧部６１および吸引部６２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（臓器や組織）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６０に吐出の開始や停止を指示し、更に、シリンジ２１，２４の選択指示も行う。これにより、シリンジ２１，２４の位置とシリンジ２１，２４からの材料や細胞の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、臓器造形システム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）を採用してもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
吐出機２０のアームに保持された複数のシリンジ２１，２４は、互いに近接して保持されている。
【００３３】
図２は、アームに保持された複数のシリンジを示す斜視図である。
【００３４】
図２に示す例では、吐出機２０のアーム２５に、１つの第１のシリンジ２１と、５つの第２のシリンジ２４が保持されていて、第１のシリンジ２１はヒータユニット２２内に収納されている。本実施例において、ヒータユニット２２の横幅を５０ｍｍ程度、ヒータユニット２２に一番近い第２のシリンジ２４との距離を５０ｍｍ程度としているが、この場合、断熱材のみの構成では、ヒータユニット２２の設定温度を３００℃にした場合に、第２のシリンジ２４近傍の温度が１００℃近くになってしまうため、シリンジ２４内の細胞に対して著しい悪影響を与えてしまう。このため、第２のシリンジ２４に収容された細胞を熱から保護するだけでなく、第２のシリンジ２４の着脱に際して使用者の手などがヒータユニット２２の表面に接触する可能性なども考慮して、ヒータユニット２２には高い断熱能力が求められる。
【００３５】
以下、ヒータユニット２２の構造について詳細に説明する。まず、ヒータユニット２２の外観構成について説明する。
【００３６】
図３は、ヒータユニットの正面図であり、図４は、ヒータユニットの上面図である。
【００３７】
ヒータユニット２２は、ＳＵＳ板を組み合わせた筐体２２１を有し、シリンジ２１が上面から挿抜自在に挿入される。シリンジ２１のノズル２１１はヒータユニット２２の下面から突き出している。
【００３８】
ヒータユニット２２の正面には４本の止めネジ２２２の頭部が出ていて、これらの止めネジ２２２はヒータユニット２２の背面まで延びている。そして、図２に示すアーム２５に直接ねじ止めされている。
【００３９】
ヒータユニット２２の正面からヒータの配線２２３が伸び出し、ヒータユニット２２の側面には熱電対の配線２２４が伸び出している。これらの配線２２３，２２４が図１に示す加熱コントローラ２３に接続されてヒータが制御される。
【００４０】
次に、ヒータユニット２２の内部構造について説明する。
【００４１】
図５は、ヒータユニットの縦断面を示す断面図であり、図６は、ヒータユニットの横断面を示す断面図である。
【００４２】
ヒータユニット２２の中央には、シリンジを保持する円筒状のホルダ２２５が備えられている。そして、そのホルダ２２５の回りを周回するようにヒータ２２６が敷設されている。本実施形態ではヒータ２２６は３段に分かれていて、各段のヒータ２２６は、シリンジのノズルから異なる距離の各箇所を加熱する。ホルダ２２５は本発明にいう保持器の一例に相当し、ヒータ２２６は本発明にいう加熱器の一例に相当する。
【００４３】
ホルダ２２５は上下２カ所で断熱材２２７を介して筐体２２１に支持されており、筐体２２１は、支持箇所以外の箇所ではホルダ２２５やヒータ２２６から距離を開けてそれらホルダ２２５やヒータ２２６を覆っている。これにより、ホルダ２２５やヒータ２２６の周囲には空洞層２２８が形成されている。
【００４４】
図７は、ヒータの制御例を示すグラフである。
【００４５】
図７のグラフの横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。
【００４６】
図７にはヒータ１からヒータ３までの３段のヒータそれぞれの温度制御を表したグラフが示されている。ヒータ３がシリンダのノズルに最も近いヒータであり、ヒータ１がシリンダのノズルから最も遠いヒータである。
【００４７】
加熱が開始されると、まずヒータ３がオンとなり、ＰＩＤ制御によって設定温度Ｔまで直線的に温度が上昇する。そして、設定温度Ｔに到達するとその温度Ｔが保たれるようにヒータ３が制御される。
【００４８】
ヒータ２の箇所では、ヒータ３の温度上昇に伴って温度が上昇するが、ヒータ３の箇所よりも温度上昇は緩やかである。そして、ヒータ３が設定温度Ｔに到達するとヒータ２がオンとなり、ＰＩＤ制御によって設定温度Ｔ2まで直線的に温度が上昇する。この設定温度Ｔ2は、ヒータ３における設定温度Ｔよりも低い温度となっている。設定温度Ｔ2に到達するとその温度Ｔ2が保たれるようにヒータ３が制御される。
【００４９】
ヒータ１の箇所では、ヒータ３およびヒータ２の温度上昇に伴って温度が上昇するが、ヒータ３およびヒータ２の箇所よりも温度上昇は緩やかである。そして、ヒータ２が設定温度Ｔ2に到達するとヒータ１がオンとなり、ＰＩＤ制御によって設定温度Ｔ1まで直線的に温度が上昇する。この設定温度Ｔ1は、ヒータ２における設定温度Ｔ2よりも更に低い温度となっている。設定温度Ｔ1に到達するとその温度Ｔ1が保たれるようにヒータ１が制御される。
【００５０】
このようなヒータ制御によって、シリンダのノズルに近いほど高温な温度勾配が形成される。このため、シリンダからの吐出直前の材料は充分に加熱されて溶融されているが、ノズルから離れた箇所の材料は加熱が抑えられ、造形材料として生分解性樹脂が用いられても劣化が抑制されることとなる。
【００５１】
次に、ヒータユニット２２の断熱能力について説明する。
【００５２】
図８は、ヒータユニットの断熱能力を表したグラフである。
【００５３】
図８のグラフの横軸は中心温度を示し、縦軸は外部温度を表している。グラフ中に描かれている白丸印のついた曲線Ｌ１は、ヒータユニット２２の中央部の表面温度の測定値を表しており、黒丸印のついた曲線Ｌ２は、ヒータユニット２２の下部の表面温度の測定値を表している。また、細かい点線で示された曲線Ｌ３は、ヒータユニット２２と同じ外形の断熱材の塊における中心温度と表面温度との関係を表しており、粗い点線で示された曲線Ｌ４は、ヒータユニット２２と同じ外形の空気塊（対流無し）における中心温度と表面温度との関係を表している。
【００５４】
空気は対流の影響が生じない限り理想に近い断熱材であるが、ヒータユニット２２が実際に有している断熱能力は、曲線Ｌ１，Ｌ２が表しているように、断熱材の塊の断熱能力よりも空気塊の断熱能力に近い。このような断熱能力は、ヒータユニット２２の筐体２２１が、空洞層２２８を形成するようにホルダ２２５やヒータ２２６を覆っていることで得られたものである。
【００５５】
図８の条件において、シリンジ２４内の細胞に加わると想定される熱は、外気温１８℃程度を想定した場合において、ヒータユニット２２の設定温度が３００℃であっても３０℃に満たない。また、使用者がヒータユニット２２の表面に瞬間的に触れることがあったとしても１００℃余りであれば火傷などの危険性は著しく低減される。
【００５６】
次に、上述した３段構造のヒータによる加熱構造に代えて使用可能な別の加熱構造について説明する。
【００５７】
図９は、本発明の加熱装置における第２の加熱構造の例を表す図である。
【００５８】
この実施例の加熱構造では、シリンジ２１を保持するホルダ２２５が、シリンジ２１の先端ほど熱の伝導が速い構造となっている。ここに示す例では、ホルダ２２５を形成している部材の厚さがシリンジ２１の先端ほど薄くなっていることで熱の伝導が速くなっているが、ホルダ２２５を形成している部材の材質を、シリンジ２１の先端ほど高伝導率の材質にした構造もあり得る。このように熱の伝導の速さが場所によって異なるホルダ２２５を介してヒータ２２６でシリンジ２１を加熱することにより、ヒータ２２６の発熱が均一であってもシリンジ２１には自ずと熱勾配が生じる。従ってヒータ２２６の制御が容易である。
【００５９】
図１０は、本発明の加熱装置における第３の加熱構造の例を表す図である。
【００６０】
この実施例の加熱構造では、ホルダ２２５を介してシリンジ２１を加熱するヒータ２２６の他に、シリンジ２１内に挿入されて内部から加熱するヒータ２２６＿２が備えられている。このヒータ２２６＿２は、断熱材２２６＿１に覆われており、シリンジ２１の先端付近で断熱材２２６＿１から露出してシリンジ２１の先端付近を局所的に加熱する。このようなヒータ２２６＿２によってシリンジ２１の先端付近が効率よく加熱されることとなるので、シリンジ２１全体に対する加熱を抑えることができ、造形材料としてシリンジ２１に内包されている生分解性樹脂の劣化が抑制される。
【符号の説明】
【００６１】
１    臓器造形システム
２０    吐出機
２１，２４    シリンジ
２２    ヒータユニット
２３    加熱コントローラ
３０    ３軸ステージコントローラ
６０    圧力コントローラ
２２１    筐体
２２５    ホルダ
２２６    ヒータ
２２８    空洞層
【図１】
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【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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