(57)【要約】  本発明の態様には、繊維構造を製造し、デジタルファイルから３次元（３Ｄ）生体構造を製造するためのシステム及び方法が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントされる繊維には生細胞が含まれる。本発明の側面にはさらに、繊維構造を製造するためのプリントヘッドであって、遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、分配チャネルの近位端において１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置された位置において分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含むプリントヘッドが含まれる。プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させて繊維構造の端をきれいな尾端部にするように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維構造を製造するためのプリントヘッドであって、
遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、
前記分配チャネルの前記遠位端に配置された分配オリフィスと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端と前記遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において前記分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、
前記１つ以上の材料チャネル、前記緩衝液チャネル、及び前記シース溶液チャネルは前記分配チャネルと流体連絡し、
前記プリントヘッドは、前記分配チャネルの前記近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、前記プリントヘッド。
【請求項２】
第１及び第２の材料チャネルを含む請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項３】
前記シース溶液チャネルは、分岐位置において２つ以上のシース溶液サブチャネルに分岐する請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項４】
前記２つ以上のシース溶液サブチャネルは、前記シース流体収束位置において前記分配チャネルに収束する請求項３に記載のプリントヘッド。
【請求項５】
前記１つ以上の材料チャネルはそれぞれ、材料入力オリフィスと制御バルブとを含む請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項６】
前記緩衝液チャネルは緩衝液入力オリフィスと制御バルブとを含む請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項７】
前記シース溶液チャネルはシース溶液入力オリフィスと制御バルブとを含む請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項８】
繊維構造を製造するためのシステムであって、
プリントヘッドであって、
遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、
前記分配チャネルの前記遠位端に配置された分配オリフィスと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端と前記遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において前記分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、
前記１つ以上の材料チャネル、前記緩衝液チャネル、及び前記シース溶液チャネルは前記分配チャネルと流体連絡し、
前記プリントヘッドは、前記分配チャネルの前記近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、前記プリントヘッドと、
前記プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、
３Ｄ空間内で前記プリントヘッドの前記分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、前記プリントヘッドに動作可能に結合されている前記位置決めコンポーネントと、を含む前記システム。
【請求項９】
前記位置決めコンポーネントを制御し、前記プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサをさらに含む請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プリントヘッドから分配された過剰流体を除去するように構成された流体除去コンポーネントをさらに含む請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体除去コンポーネントは、前記過剰流体を通過させるように構成された多孔質膜を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記流体除去コンポーネントは吸収性材料を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記流体除去コンポーネントは、前記過剰流体を吸引するように構成された真空を含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記真空は前記受け面の下方に適用される請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記真空は前記受け面の上方に適用される請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記真空は前記プリントヘッド上の１つ以上の真空チャネルを通して適用される請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記１つ以上の真空チャネルは前記プリントヘッド上の前記分配オリフィス付近に位置する請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記プリントヘッドを通る前記１つ以上の流体の流量を調節するように構成された圧力制御コンポーネントをさらに含む請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プリントヘッドと流体連絡する１つ以上の流体リザーバをさらに含む請求項８に記載のシステム。
【請求項２０】
流体リザーバにはシース溶液が含まれる請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記シース溶液は、入力材料を固化させるように構成された架橋溶液を含む請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記架橋溶液は２価カチオンを含む請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記２価カチオンはＣａ＋＋である請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
流体リザーバは緩衝液を含む請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記緩衝液は入力材料と混和性である請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
流体リザーバは入力材料を含む請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
前記入力材料はヒドロゲルを含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ヒドロゲルはアルギネートを含む請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記アルギネートは解重合アルギネートである請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記入力材料は１つ以上の生細胞を含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記入力材料は細胞外マトリックス材料を含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記入力材料は活性剤を含む請求項２６に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プリントヘッドは、前記分配チャネルを通る一定の質量流量を生成するように構成されている請求項８に記載のシステム。
【請求項３４】
架橋コンポーネントをさらに含む請求項８に記載のシステム。
【請求項３５】
前記架橋コンポーネントはＵＶランプを含む請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記架橋コンポーネントは前記分配オリフィスに隣接して位置する請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
固化した繊維構造を生成するための方法であって、
繊維構造を製造するためのシステムを用意することであって、前記システムは、
プリントヘッドであって、
遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、
前記分配チャネルの前記遠位端に配置された分配オリフィスと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端と前記遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において前記分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、
前記１つ以上の材料チャネル、前記緩衝液チャネル、及び前記シース溶液チャネルは前記分配チャネルと流体連絡し、
前記プリントヘッドは、前記分配チャネルの前記近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、前記プリントヘッドと、
前記プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、
３Ｄ空間内で前記プリントヘッドの前記分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、前記プリントヘッドに動作可能に結合されている前記位置決めコンポーネントと、
前記位置決めコンポーネントを制御し、前記プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサと、
第１の入力材料を含む第１の流体リザーバと、
緩衝液を含む第２の流体リザーバと、
シース溶液を含む第３の流体リザーバであって、前記シース溶液は架橋溶液を含む、前記第３の流体リザーバと、を含み、
前記流体リザーバは前記プリントヘッドと流体連絡する、前記用意することと、
前記分配チャネルにおいて前記シース溶液と前記第１の入力材料とを接触させて、固化した繊維構造を生成することと、
前記固化した繊維構造を前記プリントヘッドの前記分配オリフィスから分配することと、を含む前記方法。
【請求項３８】
固化した繊維構造を生成するための方法であって、
繊維構造を製造するためのシステムを用意することであって、前記システムは、
プリントヘッドであって、
遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、
前記分配チャネルの前記遠位端に配置された分配オリフィスと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端において前記１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、
前記分配チャネルの前記近位端と前記遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において前記分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、
架橋コンポーネントと、を含み、前記１つ以上の材料チャネル、前記緩衝液チャネル、及び前記シース溶液チャネルは前記分配チャネルと流体連絡し、
前記プリントヘッドは、前記分配チャネルの前記近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、前記プリントヘッドと、
前記プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、
３Ｄ空間内で前記プリントヘッドの前記分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、前記プリントヘッドに動作可能に結合されている前記位置決めコンポーネントと、
前記位置決めコンポーネントを制御し、前記プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサと、
第１の入力材料を含む第１の流体リザーバと、
緩衝液を含む第２の流体リザーバと、
シース溶液を含む第３の流体リザーバであって、前記シース溶液は架橋溶液を含む、前記第３の流体リザーバと、を含み、
前記流体リザーバは前記プリントヘッドと流体連絡する、前記用意することと、
前記分配チャネルに前記第１の入力材料を通すことと、
前記架橋コンポーネントを用いて前記第１の入力材料を架橋して、固化した繊維構造を生成することと、
前記固化した繊維構造を前記プリントヘッドの前記分配オリフィスから分配することと、を含む前記方法。
【請求項３９】
前記第１の入力材料は前記分配チャネル内で架橋される請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記架橋コンポーネントは前記分配オリフィスに隣接して配置され、前記第１の入力材料は前記分配オリフィスから分配されるときに架橋される請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記プログラマブル制御プロセッサに、プリントすべき平面構造をエンコードすることと、
前記固化した繊維構造の第１の層を前記受け面上に堆積させて前記平面構造をプリントすることと、をさらに含む請求項３７〜４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記プログラマブル制御プロセッサに、プリントすべき３Ｄ構造をエンコードすることと、
前記固化した繊維構造の後続の層を前記平面構造上に堆積させて３Ｄ構造をプリントすることと、をさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記分配チャネル内で入力材料を前記緩衝液によって移動させて、前記入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を停止することをさらに含む請求項３４〜４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
前記分配チャネル内で前記入力材料を前記緩衝液によって移動させることは、前記分配チャネル内で一定の質量流量を維持することを含む請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記分配チャネル内で緩衝液を入力材料によって移動させて、前記入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を始めることをさらに含む請求項３４〜４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４６】
前記分配チャネル内で前記緩衝液を前記入力材料によって移動させることは、前記分配チャネル内で一定の質量流量を維持することを含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記システムはさらに、第２の入力材料を含む第４の流体リザーバを含み、前記方法は、前記第２の入力材料を含む固化した繊維構造を生成することを含む請求項３７〜４０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４８】
前記分配チャネル内で前記第１の入力材料を前記第２の入力材料によって移動させて、前記第１の入力材料から前記第２の入力材料への遷移を含む固化した繊維構造を生成することをさらに含む請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記分配チャネル内で前記第１の入力材料を前記第２の入力材料によって移動させることは、前記分配チャネル内で一定の質量流量を維持することを含む請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１及び前記第２の入力材料を同時に分配して、前記第１及び第２の入力材料の混合物を含む固化した繊維構造を生成することをさらに含む請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維構造を製造するためのシステム及び方法、ならびにデジタルファイルから構造を３次元（３Ｄ）プリントすることに関する。いくつかの実施形態では、プリントされる繊維には生細胞が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
ティッシュエンジニアリング技術は、長い間、生体臓器及び組織を模倣し及び／またはこれらに置き換わることができる生存可能な合成構造を、無数の材料及び方法を用いて作製しようとしてきた。歴史的に、細胞及び他の生体物質を、所望の構造を与える予め形成された３次元の足場材内にシーディングしてきた。足場材は好ましくは生分解性であるかそうでなければ取り外し可能である。たとえば米国特許第６，７７３，７１３号を参照のこと。
【０００３】
最近では、３Ｄプリンティング（付加製造の形態）を適用して、３次元物体をデジタルファイルから直接形成している。物体を層単位で積み重ねて所望の３次元構造を実現する。無細胞及び細胞の構造体及び組織の形成に３Ｄプリンティング技術を適応させる（３Ｄバイオプリンティングと言う）ための最初の取り組みでは、細胞材料の直接シーディングまたは後続のプリンティングとは関係なく足場材料の最初のプリンティングに重点を置いた。たとえば、米国特許第６，１３９，５７４号、第７，０５１，６５４号、第８，６９１，２７４号、第９，００５，９７２号、及び第９，３０１，９２５号を参照のこと。
【０００４】
残念ながら、３Ｄバイオプリンティングに対して使用された既存のシステム及びデバイスには種々の欠点があり、所望の３Ｄ構造の不正確さまたは歪みの原因となっていた。具体的には、プリンティングプロセスの開始及び／または停止が不正確であると、先行する繊維及び／または後続する繊維が形成されて、プリントされる繊維及び３Ｄ構造の寸法を歪める可能性がある。したがって、プリンティングプロセスの開始及び停止をより厳格に制御することを通して３Ｄ物体の高忠実度の複製を実現することができるシステム及びデバイスが求められている。本発明はこれら及び他の未対処の必要性に対処するものである。
【０００５】
本明細書で列記した先行技術文献はすべて、それらの全体において参照により組み込まれている。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の態様には、繊維構造を製造するための及びデジタルファイルから３次元（３Ｄ）構造を製造するためのシステム及び方法が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントされる繊維には生細胞が含まれる。
【０００７】
本発明の態様には、繊維構造を製造するためのプリントヘッドであって、遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、分配チャネルの近位端において１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、１つ以上の材料チャネル、緩衝液チャネル、及びシース溶液チャネルは分配チャネルと流体連絡し、プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、プリントヘッドが含まれる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、プリントヘッドには第１及び第２の材料チャネルが含まれる。いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルは、分岐位置において２つ以上のシース溶液サブチャネルに分岐する。いくつかの実施形態では、２つ以上のシース溶液サブチャネルは、シース流体収束位置において分配チャネルに収束する。いくつかの実施形態では、１つ以上の材料チャネルはそれぞれ、材料入力オリフィスと制御バルブとを含む。いくつかの実施形態では、緩衝液チャネルは緩衝液入力オリフィスと制御バルブとを含む。いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルはシース溶液入力オリフィスと制御バルブとを含む。
【０００９】
本発明の態様には、繊維構造を製造するためのシステムであって、プリントヘッドであって、遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、分配チャネルの近位端において１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、１つ以上の材料チャネル、緩衝液チャネル、及びシース溶液チャネルは分配チャネルと流体連絡し、プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、プリントヘッドと、プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、３Ｄ空間内でプリントヘッドの分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、プリントヘッドに動作可能に結合されている位置決めコンポーネントと、を含むシステムが含まれる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、システムにはさらに、位置決めコンポーネントを制御するための及びプリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサが含まれる。いくつかの実施形態では、システムにはさらに、プリントヘッドから分配された過剰流体を除去するように構成された流体除去コンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、流体除去コンポーネントには、過剰流体を通過させるように構成された多孔質膜が含まれる。いくつかの実施形態では、流体除去コンポーネントには吸収性材料が含まれる。いくつかの実施形態では、流体除去コンポーネントには、過剰流体を吸引するように構成された真空が含まれる。いくつかの実施形態では、真空は受け面の下方に適用される。いくつかの実施形態では、真空は受け面の上方に適用される。いくつかの実施形態では、真空はプリントヘッド上の１つ以上の真空チャネルを通して適用される。いくつかの実施形態では、１つ以上の真空チャネルはプリントヘッド上の分配オリフィスの付近に位置する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、システムにはさらに、プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を調節するように構成された圧力制御コンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、システムにはさらに、プリントヘッドと流体連絡する１つ以上の流体リザーバが含まれる。いくつかの実施形態では、流体リザーバにはシース溶液が含まれる。いくつかの実施形態では、シース溶液には、入力材料を固化させるように構成された架橋溶液が含まれる。いくつかの実施形態では、架橋溶液には２価カチオンが含まれる。いくつかの実施形態では、２価カチオンはＣａ＋＋である。いくつかの実施形態では、流体リザーバには緩衝液が含まれる。いくつかの実施形態では、緩衝液は入力材料と混和性である。いくつかの実施形態では、流体リザーバには入力材料が含まれる。いくつかの実施形態では、入力材料にはヒドロゲルが含まれる。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルにはアルギネートが含まれる。いくつかの実施形態では、アルギネートは解重合アルギネートである。いくつかの実施形態では、入力材料には１つ以上の生細胞が含まれる。いくつかの実施形態では、入力材料には細胞外マトリックス材料が含まれる。いくつかの実施形態では、入力材料には活性剤が含まれる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、分配チャネルを通して一定の質量流量を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、システムにはさらに、架橋コンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、架橋コンポーネントにはＵＶランプが含まれる。いくつかの実施形態では、架橋コンポーネントは分配オリフィスに隣接して位置する。
【００１３】
本発明の態様には、固化した繊維構造を生成するための方法であって、繊維構造を製造するためのシステムを用意することであって、システムは、プリントヘッドであって、遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、分配チャネルの近位端において１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、を含み、１つ以上の材料チャネル、緩衝液チャネル、及びシース溶液チャネルは分配チャネルと流体連絡し、プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、プリントヘッドと、プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、３Ｄ空間内でプリントヘッドの分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、プリントヘッドに動作可能に結合されている位置決めコンポーネントと、位置決めコンポーネントを制御し、プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサと、第１の入力材料を含む第１の流体リザーバと、緩衝液を含む第２の流体リザーバと、シース溶液を含む第３の流体リザーバであって、シース溶液は架橋溶液を含む、第３の流体リザーバと、を含み、流体リザーバはプリントヘッドと流体連絡する、用意することと、分配チャネルにおいてシース溶液と第１の入力材料とを接触させて、固化した繊維構造を生成することと、固化した繊維構造をプリントヘッドの分配オリフィスから分配することと、を含む方法が含まれる。
【００１４】
本発明の態様には、固化した繊維構造を生成するための方法であって、繊維構造を製造するためのシステムを用意することであって、システムは、プリントヘッドであって、遠位端と近位端とを含む分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する１つ以上の材料チャネルと、分配チャネルの近位端において１つ以上の材料チャネルに収束する緩衝液チャネルと、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置されたシース流体収束位置において分配チャネルに収束するシース溶液チャネルと、架橋コンポーネントと、を含み、１つ以上の材料チャネル、緩衝液チャネル、及びシース溶液チャネルは分配チャネルと流体連絡し、プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるように構成されている、プリントヘッドと、プリントヘッドから分配された第１の材料層を受け取るための受け面と、３Ｄ空間内でプリントヘッドの分配オリフィスを位置決めするための位置決めコンポーネントであって、プリントヘッドに動作可能に結合されている位置決めコンポーネントと、位置決めコンポーネントを制御し、プリントヘッドを通る１つ以上の流体の流量を制御するためのプログラマブル制御プロセッサと、第１の入力材料を含む第１の流体リザーバと、緩衝液を含む第２の流体リザーバと、シース溶液を含む第３の流体リザーバであって、シース溶液は架橋溶液を含む、第３の流体リザーバと、を含み、流体リザーバはプリントヘッドと流体連絡する、用意することと、分配チャネルに第１の入力材料を通すことと、架橋コンポーネントを用いて第１の入力材料を架橋して、固化した繊維構造を生成することと、固化した繊維構造をプリントヘッドの分配オリフィスから分配することと、を含む方法が含まれる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、第１の入力材料は分配チャネル内で架橋される。いくつかの実施形態では、架橋コンポーネントは分配オリフィスに隣接して配置され、第１の入力材料は分配オリフィスから分配されるときに架橋される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、プログラマブル制御プロセッサに、プリントすべき平面構造をエンコードすることと、固化した繊維構造の第１の層を受け面上に堆積させて平面構造をプリントすることと、が含まれる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、プログラマブル制御プロセッサに、プリントすべき３Ｄ構造をエンコードすることと、固化した繊維構造の後続の層を平面構造の上に堆積させて３Ｄ構造をプリントすることと、が含まれる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、分配チャネル内で入力材料を緩衝液によって移動させて、入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を停止することが含まれる。いくつかの実施形態では、分配チャネル内で入力材料を緩衝液によって移動させることには、分配チャネル内で一定の質量流量を維持することが含まれる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、分配チャネル内で緩衝液を入力材料によって移動させて、入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を始めることが含まれる。いくつかの実施形態では、分配チャネル内で緩衝液を入力材料によって移動させることには、分配チャネル内で一定の質量流量を維持することが含まれる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、システムにはさらに、第２の入力材料を含む第４の流体リザーバが含まれ、方法には、第２の入力材料を含む固化した繊維構造を生成することが含まれる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、分配チャネル内で第１の入力材料を第２の入力材料によって移動させて、第１の入力材料から第２の入力材料への遷移を含む固化した繊維構造を生成することが含まれる。いくつかの実施形態では、分配チャネル内で第１の入力材料を第２の入力材料によって移動させることには、分配チャネル内で一定の質量流量を維持することが含まれる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、方法にはさらに、第１及び第２の入力材料を同時に分配して、第１及び第２の入力材料の混合物を含む固化した繊維構造を生成することが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のプリントヘッドデザインの説明図である。プリントされる繊維の堆積シーケンスを停止させると、接続部の入力材料及び接続部のわずか上流の入力材料が架橋剤にさらされることが、チャネルに緩衝液が流されるまで行われる。その結果、図示したシステムは目詰まりする傾向がある。
【図２】従来のプリントヘッドデザインの説明図である。プリントされる繊維の堆積シーケンスを開始すると、最初に緩衝液の全体積を流し出してシース流体（架橋溶液）と置き換える必要があり、その後に入力材料のフローを再開することができる。入力材料の再開が早すぎると、入力材料を十分に架橋するには不十分な濃度の架橋剤が分配チャネル内に存在し得るため、繊維強度が不十分となる場合がある。説明図では、緩衝液によって架橋剤及び入力材料の全体積が移動させられている。その結果、再開シーケンスでは、安定した繊維速度を維持するために、架橋剤と入力材料との間でのフローの複雑な移行及び注意深い制御が必要となる。最初に架橋剤溶液によって入力材料を十分に流し出した後に、入力材料のフローが開始されたら架橋剤フローを減らす。
【図３】対象プリントヘッドの一実施形態の説明図である。図示した実施形態では、一定流量の緩衝液によって、架橋剤との交点にある入力材料及び分配チャネル内の入力材料を十分に移動させる。その結果、依然として分配チャネル内にある繊維の終端は一定流量を維持する。入力材料と緩衝液との切り替えをプリンタのツールパスと同期させると、意図する３Ｄ構造を高忠実度で再構成することができる。
【図４】対象プリントヘッドの一実施形態の説明図である。図示した実施形態では、プリンタを層のある領域から別の領域に動かす。領域間の間隙では、緩衝剤と架橋剤とが連続的に分配されて除去または吸収される。プリントヘッドが次のプリント領域に到達するときに必要な繊維を予め生成しておき、その堆積をツールパスと同期させて、適切な配置が確実に行われるようにする。このような構成によって、分配チャネル内を架橋剤が流れて存在しているときに繊維堆積を迅速に再開することができる。再開される繊維の流量は、緩衝剤の体積流量を正確に移動させるように較正されており、新しい繊維の滑らかで一貫したフローが可能になる。その結果、現れつつある繊維の配置をツールパスを用いて容易に調整して、複雑な３Ｄ構造を高忠実度で再現することができる。
【図５】対象プリントヘッドの一実施形態の説明図である。図示した実施形態では、プリンタを動かす間に、緩衝剤と１つ以上の入力材料とを順次に切り替えて、架橋された繊維（すなわち、固化された繊維）の分離された断面を堆積させることができる。
【図６】対象プリントヘッドの一実施形態の説明図である。図示した実施形態では４つの異なる材料入力を示しており、それぞれ制御バルブが付いている。この実施形態では、４つの各材料入力を交互に行って４つの材料のうちどれを分配しているかを決めることができる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の態様には、繊維構造を製造するため、ならびにデジタルファイルから３次元（３Ｄ）構造を製造するためのシステム及び方法が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントされる繊維には生細胞が含まれる。
定義
【００２５】
本明細書を解釈する目的で、以下の定義が適用され、適切と認められる場合には、単数形で用いられる用語には複数形も含まれ、逆もまた同様である。記載したいずれかの定義が、参照により本明細書に組み込まれたいずれかの文献と矛盾する場合には、以下に述べる定義が優先するものとする。
【００２６】
用語「移動させる」は、本明細書で用いる場合、第１の材料または流体が第２の材料または流体を所与の位置から取り除くことができることを指す。たとえば、いくつかの実施形態では、緩衝液は、入力材料を分配チャネル内の位置から（たとえば、分配チャネルの近位端から）移動させるように構成されている。いくつかの実施形態では、移動は瞬時の移動であり、約１秒未満、たとえば約９００、８００、７００、６００、５００、４００、３００、２００、または１００ミリ秒以下で生じる。
【００２７】
用語「混和性」は、本明細書で用いる場合、２つの異なる液体が混合されたときに均質な混合物を形成できることを指す。
【００２８】
用語「質量流量」は、本明細書で用いる場合、単位時間当たりに所与の位置を通る物質の質量を指す。用語「一定の質量流量」は、本明細書で用いる場合、単位時間当たりに一定のままの質量流量を指す。
【００２９】
用語「固化された」は、本明細書で用いる場合、堆積時にその形状忠実度及び構造的完全性を維持する材料の固体または半固体状態を指す。用語「形状忠実度」は、本明細書で用いる場合、材料が著しい伸びを伴うことなくその３次元形状を維持できることを意味する。いくつかの実施形態では、固化された材料とは、その３次元形状を、約３０秒以上、たとえば約１、１０、または３０分以上、たとえば約１、１０、２４、または４８時間以上の時間の間、維持することができるものである。用語「構造的完全性」は、本明細書で用いる場合、材料が、破損または曲げに抵抗しながら負荷（その自重など）の下で結合していられることを指す。
【００３０】
いくつかの実施形態では、固化された組成物は、弾性率が約５、１０、１５、２０、または２５キロパスカル（ｋＰａ）よりも大きい、より好ましくは、約３０、４０、５０、６０、７０、８０、または９０ｋＰａよりも大きい、さらにより好ましくは、約１００、１１０、１２０、または１３０ｋＰａよりも大きいものである。好ましい弾性率範囲としては、約５、１０、１５、２０、２５、または５０Ｐａから約８０、１００、１２０、または１４０ｋＰａが挙げられる。主題発明によれば、入力材料の弾性率は入力材料の意図する機能により変えることができるため優位である。いくつかの実施形態では、低めの弾性率を用いて細胞増殖及び移動をサポートするが、他の実施形態では、はるかに高い弾性率を用いることができる。
【００３１】
用語「天然アルギネートポリマー」は、本明細書で用いる場合、１つ以上の天然源（たとえば、褐色海藻または海草の１つ以上の種）から隔離よび精製されたアルギネートポリマーを指す。
【００３２】
用語「解重合する」は、本明細書で用いる場合、ポリマー鎖を壊してモノマーまたは他のより小さい単位にすることを指す。
【００３３】
用語「ヒドロゲル」は、本明細書で用いる場合、水及び親水性であるポリマー鎖のネットワークまたは格子を含む組成物を指す。
【００３４】
用語「シース流体」または「シース溶液」は、本明細書で用いる場合、少なくとも部分的に、材料が流体チャネルを通っているときに材料を覆うかまたは「包む」ために用いられる流体を指す。いくつかの実施形態では、シース流体には水性溶媒（たとえば、水またはグリセロール）が含まれる。いくつかの実施形態では、シース流体には化学架橋剤が含まれる。架橋剤の非限定的な実施例としては、２価カチオン（たとえば、Ｃａ２＋、Ｂａ２＋、Ｓｒ２＋など）、トロンビン、及びｐＨ修飾化学物質（たとえば、重炭酸ナトリウム）が挙げられる。
【００３５】
本明細書で用いる場合、用語「過剰なシース流体」は、分配オリフィスから分配されるシース流体の一部であって、本明細書で提供されるシステムまたは方法の１つ以上の実施形態を用いてプリントされる繊維構造に含まれない一部を指す。たとえば、過剰なシース流体は、材料（たとえば、ヒドロゲル）がプリントヘッド内の分配チャネル及び分配オリフィスを通過するのを滑らかにするのに有用な場合がある。分配オリフィスから分配されたら、過剰なシース流体は、分配された材料の層の表面から受け面上に出てもよく、そこで集まるかまたは溜まってもよい。
【００３６】
用語「チャネル長」は、本明細書で用いる場合、流体チャネルを第１の位置から第２の位置までたどったときに移動する直線距離を指す。
【００３７】
用語「収束角」は、本明細書で用いる場合、収束する２つの流体チャネル間で形成される角度を指す。
プリントヘッド
【００３８】
本発明の態様には、１つ以上の繊維構造を生成するために用いることができるプリントヘッドが含まれる。本発明の実施形態によるプリントヘッドは、複数の相互接続された流体チャネルを含み、１つ以上の入力材料を含む繊維構造を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、固化した繊維構造を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、生細胞を含む固化した繊維構造を生成するように構成されている。
【００３９】
いくつかの実施形態では、プリントヘッドには、遠位端と近位端とを有する分配チャネルが含まれる。本発明の実施形態による分配チャネルのチャネル長は、約１ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または約９５ｍｍである。本発明の実施形態による分配チャネルの幅または直径は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、またはたとえば約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態による分配チャネルの深さは、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態による分配チャネルは、任意の好適な断面形状、たとえば、円形、長円形、正方形、または矩形の断面形状を有することができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、分配チャネルには分配オリフィスが含まれる。いくつかの実施形態では、分配オリフィスは分配チャネルの遠位端に配置される。本発明の実施形態による分配オリフィスの直径は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、もしくは９５０μｍである。本発明の実施形態による分配オリフィスは、任意の好適な断面形状、たとえば、円形、長円形、正方形、または矩形の断面形状を有することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、プリントヘッドにはさらに、プリントヘッドから材料を分配するためのオリフィスを含む延長先端が含まれる。このような延長先端によって、たとえばマルチウェルプレート（たとえば、標準マイクロタイタープレート、マルチウェルプレート、またはマイクロプレートであって、６、２４、９６、またはより多いウェルを有するもの）内のウェルまたはペトリ皿などの狭い領域に、材料を正確に分配してそれを堆積させることが容易になる。いくつかの実施形態では、延長先端には、チューブ（たとえば、プラスチック、ガラス、または金属で形成される）であって、分配チャネルの一部に収まるように構成された外側と、分配チャネルと位置が合うように構成された内側（チューブ内の空洞を規定する）とを有するチューブが含まれる。延長先端を分配チャネルに挿入することによって、分配チャネルの長さを延ばすことができる。その結果、延長先端内のオリフィスから分配される材料を狭いスペース（たとえば、ウェルプレートインサートまたはペトリ皿）に堆積させることが容易になる。
【００４２】
本発明の実施形態によるプリントヘッドには、１つ以上の材料チャネルが含まれる。ある実施形態では、１つ以上の材料チャネルは、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する。いくつかの実施形態では、材料チャネルが分配チャネルに収束する収束角は、約０〜約１８０度の範囲である。たとえば、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、もしくは１７５度である。本発明の実施形態による材料チャネルは、任意の好適なチャネル長を有することができる。いくつかの実施形態では、材料チャネルのチャネル長は、約１００μｍ〜約１００ｍｍの範囲であり、たとえば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５ｍｍである。本発明の実施形態による材料チャネルの幅または直径は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態による材料チャネルの深さは、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。いくつかの実施形態では、プリントヘッドには第１及び第２の材料チャネルが含まれる。いくつかの実施形態では、プリントヘッドには、３〜１０の範囲である多くの材料チャネル（たとえば４、５、６、７、８、または９の材料チャネル）が含まれる。本発明の実施形態による材料チャネルは、任意の好適な断面形状、たとえば、円形、長円形、正方形、または矩形の断面形状を有することができる。
【００４３】
本発明の実施形態によるプリントヘッドには緩衝液チャネルが含まれる。ある実施形態では、緩衝液チャネルは、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する。いくつかの実施形態では、緩衝液チャネルが分配チャネルに収束する収束角は、約０〜約１８０度の範囲である。たとえば、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、もしくは１７５度である。本発明の実施形態による緩衝液チャネルは、任意の好適な長さを有することができる。いくつかの実施形態では、緩衝液チャネルのチャネル長は、約１００μｍ〜約１００ｍｍの範囲であり、たとえば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５ｍｍである。本発明の実施形態による緩衝液チャネルの幅または直径は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態による緩衝液チャネルの深さは、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態による緩衝液チャネル、任意の好適な断面形状、たとえば、円形、長円形、正方形、または矩形の断面形状を有することができる。
【００４４】
本発明の実施形態によるプリントヘッドにはシース溶液チャネルが含まれる。ある実施形態では、分配チャネルの近位端と分配チャネルの遠位端との間に配置されたシース収束位置において、シース溶液チャネルは分配チャネルに収束する。
いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルが分配チャネルに収束する収束角は、約０〜約１８０度の範囲である。たとえば、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、または１７５度である。いくつかの実施形態では、分配チャネルの近位端とシース収束位置との間の距離は約１０μｍ〜約１００ｍｍの範囲である。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、もしくは９５ｍｍである。いくつかの実施形態では、分配チャネルの遠位端とシース収束位置との間の距離は約１０μｍ〜約１００ｍｍの範囲である。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、またはたとえば、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、もしくは９５ｍｍである。
【００４５】
本発明の実施形態によるシース溶液チャネルは、任意の好適な長さを有することができる。いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルのチャネル長は、約１００μｍ〜約１００ｍｍの範囲であり、たとえば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５ｍｍである。本発明の実施形態によるシース溶液チャネルの幅または直径は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。本発明の実施形態によるシース溶液チャネルの深さは、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲とすることができる。たとえば、約２５、５０、７５、もしくは１００μｍ、または、たとえば、約０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、２．０、もしくは３．０ｍｍである。いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルは、分岐位置において２つ以上のシース溶液サブチャネルに分岐する。いくつかの実施形態では、シース溶液チャネルは、３〜１０の範囲（たとえば、４、５、６、７、８、または９）である多くのシース溶液サブチャネルに分岐する。いくつかの実施形態では、２つ以上のシース溶液サブチャネルは、収束位置において分配チャネルに収束する。本発明の実施形態によるシース溶液チャネルは、任意の好適な断面形状、たとえば、円形、長円形、正方形、または矩形の断面形状を有することができる。
【００４６】
本発明の実施形態による流体チャネルには全般的に、１つ以上の入力オリフィスが含まれ、それを通して流体をチャネルに導入することができる。いくつかの実施形態では、流体チャネルには、流体チャネルを通る流体のフローを調節するように構成された制御バルブが含まれる。いくつかの実施形態では、入力オリフィスと制御バルブとの間のチャネル長は約１００μｍ〜約１００ｍｍの範囲であり、たとえば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５ｍｍである。いくつかの実施形態では、制御バルブとチャネルが分配チャネルに収束する位置との間のチャネル長は約１００μｍ〜約１００ｍｍの範囲である。たとえば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５ｍｍである。
【００４７】
本発明の実施形態によるプリントヘッドは、任意の好適な材料から形成することができる。たとえば、限定することなく、プラスチック（たとえば、ポリマー材料）、ガラス、金属、セラミック、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、プリントヘッドには、光（たとえば、紫外線（ＵＶ）光）に対して少なくとも部分的に透明な材料が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは全体的に透明材料で形成される。ある実施形態では、分配チャネルを囲むかまたはそれに直接隣接するプリントヘッドの部分には、光に対して部分的または完全に透明な材料が含まれる。このようなプリントヘッドを、光エネルギーによって架橋されるように構成された入力材料（たとえば、光架橋性の入力材料）とともに用いることができる。
【００４８】
本発明の態様には、光架橋性の入力材料を電磁放射線にさらして入力材料を架橋するように構成された光モジュールが含まれる。本発明の実施形態による光モジュールは、プリントヘッドに組み込むこともできるし、またはプリンティングシステムの別個のコンポーネントとすることもできる。いくつかの実施形態では、光モジュールは、入力材料が分配チャネル内にある間に入力材料を光にさらす。いくつかの実施形態では、光モジュールは、入力材料が分配チャネルから分配された後に入力材料を光にさらす。いくつかの実施形態では、プリントヘッドには複数の光モジュールが含まれる。第１の光モジュールは、入力材料が分配チャネルにある間に入力材料を光にさらすように構成され、第２の光モジュールは、入力材料が分配チャネルから分配された後に入力材料を光にさらすように構成されている。
【００４９】
いくつかの実施形態では、光モジュールは、波長、強度、暴露時間、またはそれらの任意の組み合わせに対して調整可能である。いくつかの実施形態では、光モジュールには１つ以上の任意的に嵌合される減衰フィルタが含まれる。減衰フィルタは嵌合されると光強度を調節する。いくつかの実施形態では、光モジュールはＵＶ光を放出するように構成されている。モジュールから放出された光の波長は約１０ｎｍ〜約４００ｎｍの範囲であり、たとえば約２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２２５、２５０、２７５、３００、３２５、３５０、または３７５ｎｍである。いくつかの実施形態では、好適なＵＶ光源には、非限定的な例として、ＵＶランプ、ＵＶ蛍光ランプ、ＵＶ  ＬＥＤ、ＵＶレーザ、またはそれらの任意の組み合わせが含まれる。
【００５０】
前述の通り、本発明の態様には、分配チャネルを含むプリントヘッドが含まれる。１つ以上の材料チャネル及び緩衝液チャネルが、分配チャネルの近位端において収束する。対象プリントヘッドは、分配チャネルの近位端において、１つ以上の入力材料を緩衝液によって移動させるか、または緩衝液を１つ以上の入力材料によって移動させるように構成されている。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、緩衝液が１つ以上の入力材料を移動させるとき、または１つ以上の入力材料が緩衝液を移動させるときに、分配チャネルを通る一定の質量流量を維持するように構成されている。このように、対象プリントヘッドは、分配チャネルを通る１つ以上の入力材料（または１つ以上の入力材料の混合物）または緩衝液の滑らかで連続した流れを容易にするように構成されている。
【００５１】
滑らかで連続した流れが分配チャネルを通ることによって、対象プリントヘッドは、分配された固化した繊維構造上にきれいな端部を形成することができる。たとえば、入力材料が対象プリントヘッド内の緩衝液によって移動させられるとき、プリントヘッドが分配している繊維構造の端は、後続する繊維を含まないきれいな尾端部である。同様に、緩衝液が対象プリントヘッド内の入力材料によって移動させられるとき、プリントヘッドが生成する繊維構造は、先行する繊維を含まないきれいな始端部を有する。さらに、滑らかで連続した流れが分配チャネルを通ることによって、対象システムは、それぞれきれいな始端部及び尾端部を含む複数の繊維構造を堆積させることができる。このような機能によって、対象システムは繊維構造、平面構造、及び３Ｄ構造を、高い形状忠実度で形成することができる。
【００５２】
前述の通り、本発明の態様には、分配チャネルを含むプリントヘッドが含まれ、１つ以上のシース溶液チャネルが、分配チャネルの近位端と遠位端との間に配置された収束位置において分配チャネルに収束する。対象プリントヘッドの使用中に、分配チャネルを通って流れる入力材料を収束位置の上流（すなわち、近位側）で緩衝液によって移動させることによって、１つ以上の材料チャネルでの入力材料とシース溶液との間の接触をなくすことができる。シース溶液に架橋溶液が含まれる実施形態では、この構成によって、対象プリントヘッドにおける目詰まりをなくすことが、入力材料が材料チャネルにある間に（すなわち、入力材料が分配チャネルに入って分配チャネルを渡り始める前に）架橋溶液が入力材料と接触することがないようにすることによって行われる。
【００５３】
好ましい実施形態では、プリントヘッドには以下が含まれる。近位端と遠位端とを伴う分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの遠位端において分配チャネルに収束する２つの材料チャネルであって、各材料チャネルの収束角は約３０〜６０度、より好ましくは約４０〜５０度、最も好ましくは約４５度である２つの材料チャネルと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する緩衝液チャネルであって、収束角は０度である緩衝液チャネルと、２つのシース溶液サブチャネルに分岐するシース溶液チャネルであって、シース溶液サブチャネルは収束位置において分配チャネルに収束し、収束角は約３０〜６０度、より好ましくは約４０〜５０度、最も好ましくは約４５度であるシース溶液チャネル。
【００５４】
別の好ましい実施形態では、プリントヘッドには以下が含まれる。近位端と遠位端とを伴う分配チャネルと、分配チャネルの遠位端に配置された分配オリフィスと、分配チャネルの遠位端において分配チャネルに収束する４つの材料チャネルであって、各材料チャネルの収束角は約２０〜９０度である材料チャネルと、分配チャネルの近位端において分配チャネルに収束する緩衝液チャネルであって、緩衝液チャネルの収束角は０度である緩衝液チャネルと、２つのシース溶液サブチャネルに分岐するシース溶液チャネルであって、シース溶液サブチャネルは収束位置において分配チャネルに収束し、収束角は約３０〜６０度、より好ましくは約４０〜５０度、最も好ましくは約４５度であるシース溶液チャネル。
プリンティングシステム
【００５５】
本発明の態様には、対象方法を行うために対象プリントヘッドとともに動作するように構成されたプリンティングシステム及び付随するコンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、本明細書で説明するように、プリンティングシステムには単一のプリントヘッドが含まれる。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには、本明細書で説明するように、複数のプリントヘッド（たとえば、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０の個々のプリントヘッド）が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントヘッドはプリンティングシステムから流体的に隔離されていて、プリンティングプロセスに関連するすべての流体がプリントヘッド内に隔離された状態であり、プリンティングプロセスの間にプリンティングシステムの受け面（後述する）とのみ接触するようになっている。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、プリンティングプロセスに関連する流体をプリンティングシステムのコンポーネントと接触させることなく、プリンティングシステムに動作可能に結合するように構成されている。いくつかの実施形態では、プリンティングプロセスの前、間、及び／または後に、１つ以上のプリントヘッドをプリンティングシステムから取り除き及び／またはそれに加えることができる。したがって、いくつかの実施形態では、対象プリントヘッドは、対象プリンティングシステムのモジュラーコンポーネントである。
【００５６】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには、プリントヘッドの分配オリフィスから分配された第１の材料層が堆積される受け面が含まれる。いくつかの実施形態では、受け面には固体材料が含まれる。いくつかの実施形態では、受け面には多孔材料が含まれる。たとえば、いくつかの実施形態では、多孔材料の多孔質は、流体がそこを通過するには十分である。いくつかの実施形態では、受け面は実質的に平面であるため、分配材料の第１の層を堆積させることができる平坦面が得られる。いくつかの実施形態では、受け面のトポグラフィは、プリントすべき３次元構造に対応するため、非平坦な第１の層を有する３次元構造をプリントすることが容易になる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、受け面には、１つ以上の真空源から受け面に吸引を適用するように構成された真空コンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、受け面には、受け面に吸引を適用するように構成された１つ以上の真空チャネルが含まれる。いくつかの実施形態では、真空コンポーネントを含む受け面は、プリンティングプロセスを行う前、間、及び／または後に、受け面から過剰流体を吸引するように構成されている。
【００５８】
いくつかの実施形態では、受け面は、プリンティングシステムがそこに１つ以上の繊維構造を分配する非細胞毒性表面である。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムにはプリンターステージが含まれる。いくつかの実施形態では、受け面はプリンターステージの表面である。いくつかの実施形態では、受け面は、プリンターステージから分離されているがプリンターステージに取り付けられているか、またはそれによって支持されるコンポーネントである。いくつかの実施形態では、受け面は平坦であるか、または実質的に平坦である。いくつかの実施形態では、受け面は滑らかであるか、または実質的に滑らかである。いくつかの実施形態では、受け面は実質的に平坦であり、かつ実質的に滑らかであるの両方である。いくつかの実施形態では、受け面は、プリントされる構造の形状、サイズ、テクスチャ、またはジオメトリに適応するように構成されている。いくつかの実施形態では、受け面は、プリントされる構造のサイズ、形状、テクスチャ、またはジオメトリを制御するかまたはこれらに影響を及ぼす。
【００５９】
いくつかの実施形態では、受け面には、プリンティングシステムに動作可能に結合されるように構成されているがプリンティングシステムから分離できる１つ以上のモジュラーコンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、受け面は使い捨ての受け面である。いくつかの実施形態では、受け面は消毒用に構成されている。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムの流体経路全体が使い捨てである。すなわち、プリンティングプロセスに関連する１つ以上の流体と接触するプリンティングシステムのすべてのコンポーネントは使い捨てであり、コンポーネントを洗浄するためにプリンティングシステムから取り外して交換することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、受け面は、１つ以上の異なる受け容器に動作可能に結合されるように構成されている。たとえば、いくつかの実施形態では、受け面には、円形の受け容器（たとえば、ペトリ皿）に動作可能に結合されるサイズである円形部分が含まれる。いくつかの実施形態では、受け面には、正方形または矩形の受け容器（たとえば、マルチウェルプレート（たとえば、６ウェルプレート））に動作可能に結合するようなサイズの正方形または矩形部分が含まれる。本発明の実施形態による受け面は、好適な受け容器に適応する任意の好適なサイズまたは形状を有することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには、受け面の温度を調節するように構成された温度調節コンポーネントが含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントは、受け面の温度を周囲温度に調整及び／または維持する。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントによって、プリントヘッド、プリンターステージ、受け面、入力材料、及び／または流体（たとえば、シース溶液及び／または緩衝液）の温度を調整及び／または維持している。
【００６２】
いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントには発熱体が含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントにはヒーターが含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントには、放射ヒーター、対流ヒーター、伝導ヒーター、ファンヒーター、熱交換器、またはそれらの任意の組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントには冷却要素が含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントには、冷媒、冷却液、氷、またはそれらの任意の組み合わせの容器が含まれる。いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントには、放射クーラー、対流クーラー、伝導クーラー、ファンクーラー、またはそれらの任意の組み合わせが含まれる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、温度調節コンポーネントは、温度を、約０〜約９０℃（たとえば、約１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、または８５℃）の範囲の設定点に調整するように構成されている。
【００６４】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムによって、特定の形状が、プリントされる材料を受け取るように構成されたプリンターステージまたは受け面に対してプリントヘッドを動かすことによって実現される。他の実施形態では、プリンティングシステムは、プリントヘッドに対してプリンターステージまたは受け面を動かすことによって特定の形状を実現する。ある実施形態では、プリンティングシステムの少なくとも一部を、無菌環境（たとえば、バイオセーフティキャビネット（ＢＳＣ）内）に維持する。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムは、全体的に無菌環境内に収まるように構成されている。
【００６５】
いくつかの実施形態では、受け面が、分配オリフィスから分配された過剰流体（たとえば、過剰なシース流体及び／または過剰な緩衝液）及び分配オリフィスから分配された１つ以上の材料層から出る過剰流体を受け取る。
【００６６】
いくつかの実施形態では、システムには、過剰流体（たとえば、過剰なシース流体及び／または過剰な緩衝液）を、プリントヘッドのオリフィスから分配された繊維構造が堆積された受け面から、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から除去するためコンポーネントが含まれる。プリント中に、過剰流体が受け面上または分配された繊維構造の表面上に集まるか、または「溜まる」可能性がある。このように溜まると、堆積プロセスを妨げる可能性がある。たとえば、シース流体が溜まると、分配された繊維が、プリントしている３Ｄ構造内のその意図する位置から外れる場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、流体除去コンポーネントによって、受け面、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から過剰なシース流体を除去することによって、３次元構造体の付加製造が改善され得る。
【００６７】
過剰流体を、受け面からまたは分配された繊維の１つ以上の層の表面から除去することを、これらの表面から流体を引き出すことによって、これらの表面から流体が蒸発することを可能もしくは容易にすることによって行ってもよいし、または、受け面が多孔質である実施形態では、過剰流体を多孔質表面を通して引き出すことによって取り除いてもよい。いくつかの実施形態では、受け面には多孔材料が含まれる。孔のサイズは、流体がそこを通過しやすくする大きさであり、そこに堆積される繊維構造の１つ以上の層を支持する大きさである。
【００６８】
いくつかの実施形態では、過剰流体を受け面から、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から除去するためのコンポーネントを、材料をマルチウォールプレートまたはペトリ皿に分配するように構成されたシステムに含めることができる。いくつかの実施形態では、プリントベッド上の受け面は吸収材料を含むか、またはこれに隣接して配置されているため、受け面からの過剰流体の吸収を容易にする。たとえば、多孔質膜材料または任意の他の多孔質膜基材で形成されたベースを有するウェルプレートインサートを、吸収材料（たとえば、スポンジなど）上にまたはそれに隣接して配置することができる。吸収材料は、受け面から過剰流体を引き出して離すように作用する。吸収性材料が多孔質の受け面の下方に配置される実施形態では、受け面上の過剰流体を多孔質の受け面を通して引き出して吸収材料に入れることによって、受け面上の過剰流体が溜まらないようにすることができる。吸収性材料が受け面の一部のすぐそばにまたはその上（たとえば、分配材料の堆積を妨げないように受け面の周囲）に配置される実施形態では、過剰なシース流体を受け面から流し出して吸収性材料に入れることができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、受け面には真空源に流体的に結合された１つ以上のチューブが含まれる。真空源は、受け面、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から過剰流体を除去するための吸引をもたらすことができる。このような実施形態では、中実または多孔質の受け面を用いることもできる。いくつかの実施形態では、プリントヘッドはさらに１つ以上の真空チャネルを含むように構成されている。１つ以上の真空チャネルはそれぞれ、分配オリフィスの付近に（すなわち、それに隣接して）位置するオリフィスを有している。１つ以上の真空チャネルそれぞれの入口は、１つ以上の真空との流体連絡を容易にするように構成されている。プリントヘッドが真空と流体連絡しているとき、１つ以上の真空チャネルによって負圧が、分配オリフィスから材料が分配されているか、または分配された受け面の領域に及び／または分配された繊維構造の表面領域の一部に送られる。その結果、受け面から、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から、過剰流体が吸い上げられて、その結果、受け面及び／または分配された繊維構造上に流体が溜まらない。
【００７０】
いくつかの実施形態では、１つ以上の真空チューブが、少なくとも部分的に、プリントヘッドから突き出る１つ以上の延長部分内に設けられている。この延長部分は、分配オリフィスと分配チャネルとを含む延長部分と同じ大まかな方向に突き出ている。このような実施形態では、真空チューブを含む１つ以上の延長部分は、分配オリフィスと分配チャネルとを含む延長部分よりも先には延びず、分配プロセスを妨げない。
【００７１】
いくつかの実施形態では、流体除去特徴を流体組成物自体の特徴とすることができる。たとえば、シース流体組成物及び／または緩衝液組成物を、分配オリフィスから分配された後に蒸発するようにデザインすることによって、受け面上または分配された繊維構造の表面上に過剰流体が溜まらないようにすることができる。たとえば、シース流体の沸点は、分配後に蒸発する一方で分配前は液体状態に留まるようなものとすることができる。
【００７２】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには３Ｄモーター駆動ステージが含まれる。３Ｄモーター駆動ステージには、プリントベッド上方の３次元空間内でプリントヘッド及び分配オリフィスを位置決めするための３つのアームが含まれる。プリントベッドには、プリントされる材料を受け取るための表面が含まれる。一実施形態では、３Ｄモーター駆動ステージ（すなわち、位置決めユニット）を制御して垂直アームを位置決めすることができる。垂直アームは３Ｄモーター駆動ステージのｚ軸に沿って延びて、プリントヘッドオリフィスが下方に送られるようになっている。第１の水平アームは、モーター駆動ステージのｘ軸に沿って延びているが、固定されたベースプラットフォームに固定されている。第２の水平アーム（モーター駆動ステージのｙ軸に沿って延びる）は、第１の水平アームの上面に可動的に結合されて、第１及び第２の水平アームの長手方向が互いに垂直になるようになっている。当然のことながら、用語「垂直」及び「水平」は、前述でアームに対して用いる場合、プリントヘッドを動かす仕方を説明することが意図されており、必ずしもアーム自体の物理的向きを限定するわけではない。
【００７３】
いくつかの実施形態では、受け面がプラットフォームの上に位置し、プラットフォームは第２の水平アームの上面に結合されている。いくつかの実施形態では、３Ｄモーター駆動ステージアームは、３つの対応するモーターによってそれぞれ駆動され、コンピュータなどのプログラマブル制御プロセッサによって制御される。好ましい実施形態では、プリントヘッド及び受け面は、３Ｄモーター駆動ステージによって直交座標系のすべての３つの主要軸に沿って一括して移動可能であり、ステージの動きはコンピュータソフトウェアを用いて規定される。当然のことながら、本発明は、説明する位置決めシステムのみに限定されることはなく、他の位置決めシステムが当該技術分野で知られている。材料がプリントヘッド上の分配オリフィスから分配されると、位置決めユニットがソフトウェアで制御されたパターンで動かされ、その結果、分配材料の第１の層が受け面上に形成される。次に分配材料のさらなる層を互いの上に積層して、材料の分配層の最終的な３Ｄ形状が全般的に、ソフトウェアが与える３Ｄ形状デザインの複製となるようにする。３Ｄデザインを、典型的な３ＤＣＡＤ（コンピュータ支援デザイン）ソフトウェアを用いて形成してもよいし、またはデジタル画像から生成してもよいことは、当該技術分野で知られているとおりである。さらに、ソフトウェアが生成した形状に、用いるべき特定材料についての情報が含まれている場合には、本発明の一実施形態により、特定の入力材料タイプを異なる幾何学的位置に割り当てることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、プリントされる３Ｄ構造には２つ以上の異なる入力材料を含めることができる。各入力材料は異なる特性を有する（たとえば、各入力材料には、異なる細胞型、異なる細胞濃度、異なるＥＣＭ組成物などが含まれる）。
【００７４】
対象プリンティングシステムの態様には、対象入力材料を特定パターンで特定位置に堆積させて特定繊維、平坦または３Ｄ構造を形成することを容易にするように構成されたソフトウェアプログラムが含まれる。このような構造を作製するために、対象プリンティングシステムは、対象入力材料を受け面上の正確な位置に（２次元または３次元で）堆積させる。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムが材料を堆積させる場所はユーザ入力によって規定されて、コンピュータコードに変換される。いくつかの実施形態では、コンピュータコードには、指定されたタスクを実行するために書き込まれた一連の命令（デジタル処理デバイスの中央演算処理装置（ＣＰＵ）において実行可能である）が含まれる。いくつかの実施形態では、プリントティングパラメータには、限定することなく、プリントされる繊維寸法、ポンプ速度、プリントヘッド位置決めシステムの移動速度、及び架橋剤強度または濃度が含まれ、これらはユーザ入力によって規定されてコンピュータコードに変換される。いくつかの実施形態では、プリントティングパラメータはユーザ入力によって直接規定されないが、コンピュータコードによって他のパラメータ及び条件から得られる。
【００７５】
本発明の態様には、組織構造、組織、及び臓器を製造するための方法が含まれ、以下が含まれる。所望の組織構造の視覚表現の入力を受け取るコンピュータモジュールと、一連のコマンドを発生させるコンピュータモジュールであって、コマンドは視覚表現に基づき、対象プリンティングシステムによって読取可能であるコンピュータモジュールと、一連のコマンドをプリンティングシステムに与えるコンピュータモジュールと、コマンドに従って１つ以上の入力材料を堆積させて、規定された形状を伴う構造物を形成するプリンティングシステム。
【００７６】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムが入力材料を堆積させる場所はユーザ入力によって規定されてコンピュータコードに変換される。いくつかの実施形態では、本明細書で開示したデバイス、システム、及び方法にはさらに、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体、またはコンピュータ可読プログラムコードによってエンコードされた記憶媒体が含まれる。いくつかの実施形態では、コンピュータ可読記憶媒体は、バイオプリンター（またはそのコンポーネント）またはバイオプリンター（またはそのコンポーネント）に接続されたコンピュータなどのデジタル処理デバイスの有形コンポーネントである。いくつかの実施形態では、コンピュータ可読記憶媒体は任意的に、デジタル処理デバイスから取り外し可能である。いくつかの実施形態において、コンピュータ可読記憶媒体としては、非限定的な実施例として、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ装置、ソリッドステートメモリ、磁気ディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブ、クラウドコンピューティングシステム及び／またはサービスなどが挙げられる。場合によっては、プログラム及び命令は記憶媒体上に、永久的に、実質的に永久的に、半永久的に、または非一時的にエンコードされる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明するデバイス、システム、及び方法にはソフトウェア、サーバ、及びデータベースモジュールが含まれる。いくつかの実施形態では、「コンピュータモジュール」は、より大きいコンピュータシステムと相互に連絡するソフトウェアコンポーネント（コードのセクションを含む）である。いくつかの実施形態では、ソフトウェアモジュール（またはプログラムモジュール）は１つ以上のファイルの形態で提供され、典型的に、より大きいソフトウェアシステム内で特定のタスクを扱う。
【００７８】
いくつかの実施形態では、モジュールが１つ以上のソフトウェアシステムに含まれている。いくつかの実施形態では、モジュールが１つ以上の他のモジュールと１つ以上のソフトウェアシステムに組み込まれている。コンピュータモジュールは任意的に、コードまたは任意的に単独で特定できないコードのスタンドアロンセクションである。いくつかの実施形態では、モジュールは単一のアプリケーションにおいてである。他の実施形態では、モジュールは複数のアプリケーションにおいてである。いくつかの実施形態では、モジュールは１つのマシン上でホストされる。いくつかの実施形態では、モジュールは複数のマシン上でホストされる。いくつかの実施形態では、モジュールは１つの場所における複数のマシン上でホストされる。いくつかの実施形態では、モジュールは２つ以上の場所における複数のマシン上でホストされる。本発明の実施形態によるコンピュータモジュールによって、エンドユーザがコンピュータを用いて、本明細書で説明した方法の１つ以上の態様を実行することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、コンピュータモジュールにはグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）が含まれる。本明細書で用いる場合、「グラフィックユーザインターフェース」は、アプリケーションの入力及び出力の画像ならびにテキスト表現と、情報が記憶される階層的または他のデータ構造とを用いるユーザ環境を意味する。
いくつかの実施形態では、コンピュータモジュールにはディスプレイスクリーンが含まれる。さらなる実施形態では、コンピュータモジュールは、ディスプレイスクリーンを介して、２次元ＧＵＩを示す。いくつかの実施形態では、コンピュータモジュールは、ディスプレイスクリーンを介して、仮想現実環境などの３次元ＧＵＩを示す。いくつかの実施形態では、ディスプレイスクリーンはタッチスクリーンであり、対話型ＧＵＩを示す。
【００８０】
本発明の態様には、１つ以上のプリントされた繊維が好適な特性を確実に有するように対象プリンティングシステムの１つ以上のパラメータをモニタ及び／または調節するように構成された１つ以上の品質管理コンポーネントが含まれる。たとえば、いくつかの実施形態では、堆積プロセスの進行が速すぎる場合、プリントされた繊維構造は、分配された後に、分配チャネル内にまたは分配チャネルの外側にコイル状構造を形成し始める可能性がある。いくつかの実施形態では、品質管理コンポーネントにはカメラが含まれ、このカメラは、プリントされた繊維構造の１つ以上の画像を集めることによって堆積プロセスをモニタし、プリントされた繊維構造がコイル状構造を形成したか否かを判定するように構成されている。いくつかの実施形態では、品質管理コンポーネントは、堆積プロセスの１つ以上のパラメータを調節して（たとえば、圧力を減らして及び／または堆積速度を小さくして）、プリントされた繊維構造によるコイル状構造の形成を減らすかまたは回避するように構成されている。
【００８１】
本発明の態様には、流体を貯蔵して、流体をプリンティングシステム（たとえば、プリントヘッド）に１つ以上の流体チャネルを通して送出するように構成された１つ以上の流体リザーバが含まれる。流体チャネルによって、プリンティングシステムとリザーバとの間の流体連絡がもたらされる。いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには、流体チャネルと流体連絡する１つ以上の流体リザーバが含まれる。いくつかの実施形態では、流体リザーバは流体チャネルの入力オリフィスに接続されている。いくつかの実施形態では、流体リザーバは、約１００μＬから最大で約１Ｌの範囲の流体の体積を保持するように構成されている。たとえば、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、もしくは１００ｍＬ、またはたとえば、約１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、もしくは９５０ｍＬである。
【００８２】
いくつかの実施形態では、プリンティングシステムには１つ以上のリザーバに流体的に結合された圧力制御ユニットが含まれる。圧力制御ユニットは、プリンティングシステムを通して１つ以上の流体を動かすための力を与えるように構成されている。いくつかの実施形態では、圧力制御ユニットは１つ以上の接続チューブを介して１つ以上の流体に空気圧を供給する。印加された圧力は、強制的に流体をリザーバから出して、対応する流体チャネルを介してプリントヘッドに入れる。いくつかの実施形態では、代替手段を用いて流体をチャネルを通して動かすことができる。たとえば、一連の電子制御されたシリンジポンプを用いて、流体をプリントヘッドを通して動かすための力を与えることができる。
【００８３】
いくつかの実施形態において、プリンティングシステムには、任意的に光架橋性の入力材料を光にさらして材料を架橋するための光モジュール（前述したような）が含まれる。本発明の実施形態による光モジュールを、プリントヘッドに組み込むこともできるし、またはプリンティングシステムのコンポーネントとすることもできる。
入力材料
【００８４】
本発明の態様には、繊維構造をプリントするために用いることができる入力材料が含まれる。いくつかの実施形態では、入力材料にはヒドロゲルが含まれる。ヒドロゲルの非限定的な実施例としては、アルギネート、アガロース、コラーゲン、フィブリノゲン、ゼラチン、キトサン、ヒアルロン酸ベースのゲル、またはそれらの任意の組み合わせが挙げられる。種々の合成ヒドロゲルが知られており、本明細書で提供されるシステム及び方法の実施形態において用いることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、１つ以上のヒドロゲルによって、プリントされる３次元構造に対する構造的基礎が形成される。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルには、１つ以上の細胞型の成長及び／または増殖をサポートする能力がある。細胞型は、ヒドロゲル内に分散してもよいし、または３次元構成でプリントされた後にヒドロゲルに加えてもよい。いくつかの実施形態では、ヒドロゲルは化学架橋剤によって架橋可能である。たとえば、アルギネートを含むヒドロゲルは２価カチオンの存在下で架橋可能であってもよく、キトサンを含むヒドロゲルはトリポリリン酸ナトリウム（ＳＴＰ）などの多価アニオンを用いて架橋してもよく、フィブリノゲンを含むヒドロゲルはトロンビンなどの酵素の存在下で架橋可能であってもよく、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、またはキトサンを含むヒドロゲルは熱または塩基溶液の存在下で架橋可能であってもよい。いくつかの実施形態では、ヒドロゲル繊維を、入力材料と混和性である架橋剤材料にさらしたときに入力材料からの溶媒抽出を介して実現される沈殿反応を通して生成してもよい。沈殿反応を介して繊維を形成する入力材料の非限定的な実施例としてはコラーゲン及びポリ乳酸が挙げられる。沈殿が媒介するヒドロゲル繊維形成を可能にする架橋材料の非限定的な実施例としては、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）及びアルギネートが挙げられる。ヒドロゲルが架橋するとヒドロゲルの硬度が増加し、いくつかの実施形態では、固化したヒドロゲルを形成することができる。
【００８５】
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルにはアルギネートが含まれる。アルギネートは、２価カチオンと接触すると、固化したコロイド状ゲル（高含水量ゲルまたはヒドロゲル）を形成する。任意の好適な２価カチオンを、アルギネートを含む入力材料とともに用いて、固化したヒドロゲルを形成することができる。アルギネートイオン親和性系列Ｃｄ２＋＞Ｂａ２＋＞Ｃｕ２＋＞Ｃａ２＋＞Ｎｉ２＋＞Ｃｏ２＋＞Ｍｎ２＋では、Ｃａ２＋が最良に特徴付けられて、アルギネートゲルを形成するために最も多く用いられる（Ｏｕｗｅｒｘ，Ｃ．ら、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｇｅｌｓ  ａｎｄ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，１９９８，６（５）：３９３−４０８）。研究が示すところによれば、Ｃａアルギネートゲルが、隣接するポリマー鎖上でのポリＧブロックによるＣａ２＋イオンの協同的結合を介して形成される（いわゆる「エッグボックス」モデル）（ＩＳＰ  Ａｌｇｉｎａｔｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ３：Ａｌｇｉｎ−Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎ  Ａｌｇｉｎａｔｅｓ：Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  ｆｏｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｗａｔｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０００，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ｐｐ．４−７）。Ｇリッチアルギネートは、熱的に安定していて強いが脆いＣａゲルを形成する傾向がある一方で、Ｍリッチアルギネートは、それほど熱的に安定しておらずより弱いがより弾性的なゲルを形成する傾向がある。いくつかの実施形態において、ヒドロゲルには、米国特許仮出願第６２／４３７，６０１号に記載されるような解重合アルギネートが含まれる。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ヒドロゲルはフリーラジカル重合反応を用いて架橋可能であり、分子間の共有結合を形成する。フリーラジカルの生成は、光重合開始剤を光（多くの場合に紫外線）にさらすことによって、またはヒドロゲル前駆体をフリーラジカルの化学的供給源（たとえば、ペルオキソ二硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）またはペルオキソ二硫酸カリウム（ＫＰＳ）をＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−テトラメチルエチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）と組み合わせて、それぞれ開始剤及び触媒として）にさらすことによって行うことができる。光架橋性ヒドロゲルの非限定的な実施例としては、ゼラチンメタクリレート（ゲルＭＡ）またはポリエチレン（グリコール）ジアクリレートベース（ＰＥＧ−ＤＡ）ヒドロゲルなどのメタクリレートヒドロゲルが挙げられる。これらは、ＵＶ光にさらした後でフリーラジカルの存在下で架橋でき、また細胞に対して不活性であるために細胞生物学で用いられる。ＰＥＧ−ＤＡはティッシュエンジニアリングにおける足場材として広く用いられている。なぜならば、重合が室温で急速に生じ、低エネルギー入力を必要とし、含水量が高く、弾性であり、また種々の生体分子を含むようにカスタマイズできるからである。
さらなるコンポーネント
【００８７】
本発明の実施形態による入力材料には、生細胞の生存能力をサポートする広範囲な天然または合成ポリマーのいずれかを含めることができる。たとえば、ラミニン、フィブリン、ヒアルロン酸、ポリ（エチレン）グリコールベースのゲル、ゼラチン、キトサン、アガロース、またはそれらの組み合わせである。特に好ましい実施形態では、対象バイオインク組成物は、細胞増殖、分化、及び伝達に生理学的に適合する、すなわち助長する。ある実施形態では、入力材料には、１つ以上の生理学的マトリックス材料、またはそれらの組み合わせが含まれる。「生理学的マトリックス材料」によって意味するのは、天然の哺乳類組織に見られる生体物質である。このような生理学的マトリックス材料の非限定的な実施例としては以下が挙げられる。フィブロネクチン、トロンボスポンジン、グリコサミノグリカン（ＧＡＧ）（たとえば、ヒアルロン酸、コンドロイチン６硫酸、デルマタン硫酸、コンドロイチン４硫酸、またはケラチン硫酸）、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、付着糖タンパク質、及びコラーゲン（たとえば、コラーゲンＩ、コラーゲンＩＩ、コラーゲンＩＩＩ、コラーゲンＩＶ、コラーゲンＶ、コラーゲンＶＩ、またはコラーゲンＸＶＩＩＩ）。
【００８８】
コラーゲンによってほとんどの組織に引張り強度がもたらされ、約１００ｎｍの直径の複数のコラーゲン繊維が結合して、約１０μｍの直径の強いコイル状コイル繊維が生成される。ある組織構造の生体力学的機能は、指向された方法でコラーゲン繊維を整列させることによって授けられる。いくつかの実施形態では、入力材料にはコラーゲン繊維が含まれる。コラーゲン繊維を含む入力材料を用いて、組織構造内に形成される繊維構造を形成することができる。繊維構造の直径を調整することによって、コラーゲン繊維の配向を制御してコラーゲン繊維の重合を所望の仕方で方向付けることができる。
【００８９】
たとえば、以前の研究が示すところによれば、異なる直径のマイクロ流体チャネルはコラーゲン繊維の重合を方向付けて、チャネルの長さに沿って配向された繊維を形成することができるが、１００μｍ以下のチャネル直径においてのみである（Ｌｅｅら、２００６）。これらの配向されたマトリックスにおいて成長した初代内皮細胞は、コラーゲン繊維の方向に整列することが示された。別の研究では、Ｍａｒｔｉｎｅｚらは、セルロースビーズ足場材内の５００μｍチャネルによってコラーゲン及び細胞整列を方向付けられることを実証している（Ｍａｒｔｉｎｅｚら、２０１２）。いくつかの実施形態では、入力材料を約２０μｍ〜約５００μｍの範囲の直径の繊維構造に形成することができる。たとえば、約５０μｍ、約７５μｍ、約１００μｍ、約１２５μｍ、約１５０μｍ、約１７５μｍ、約２００μｍ、約２２５μｍ、約２５０μｍ、約２７５μｍ、約３００μｍ、約３２５μｍ、約３５０μｍ、約３７５μｍ、約４００μｍ、約４２５μｍ、約４５０μｍ、または約４７５μｍである。繊維径を調整することによって、繊維構造内でのコラーゲン繊維の配向を制御することができる。こうして、繊維構造、及びその内部のコラーゲン繊維をしたがって、３Ｄプリントされた構造上に所望の生体力学的特性を授けるのに不可欠な所望の配置のコラーゲン繊維を伴う組織構造を生成するようにパターニングすることができる。
哺乳動物細胞型
【００９０】
本発明の実施形態による入力材料は任意の哺乳動物細胞型を取り入れることができる。たとえば、限定することなく、幹細胞（たとえば、胚幹細胞、成体幹細胞、人工多能性幹細胞）、生殖細胞、内胚葉細胞（たとえば、肺、肝臓、膵臓、胃腸管、または尿生殖路細胞）、中胚葉細胞（たとえば、腎臓、骨、筋肉、内皮、または心臓細胞）、及び外胚葉細胞（皮膚、神経系、または眼細胞）、またはそれらの任意の組み合わせである。
【００９１】
いくつかの実施形態では、入力材料としては以下を挙げることができる。線維芽細胞、軟骨細胞、半月板線維軟骨細胞、幹細胞、骨髄間質（幹）細胞、胚幹細胞、間葉系幹細胞、人工多能性幹細胞、分化幹細胞、組織由来細胞、平滑筋細胞、骨格筋細胞、心筋細胞、上皮細胞、内皮細胞、筋芽細胞、軟骨芽細胞、骨芽細胞、破骨細胞、及びそれらの任意の組み合わせ。
【００９２】
細胞はドナー（同種異系）からまたはレシピエント（自系）から取得することができる。また細胞は、確立された細胞培養ラインからとすることもできるし、または所望の遺伝子型もしくは表現型を実現するために遺伝子工学及び／もしくは操作を受けた細胞とすることができる。いくつかの実施形態では、組織片を用いることもでき、その結果、同じ構造内の多くの異なる細胞型が得られ得る。
【００９３】
いくつかの実施形態では、細胞を好適なドナー（ヒトもしくは動物）から、または細胞を移植すべき被験者から取得することができる。哺乳類種としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。ヒト、サル、犬、牛、馬、豚、羊、ヤギ、猫、マウス、ウサギ、及びラット。一実施形態では、細胞はヒト細胞である。他の実施形態では、細胞を犬、猫、馬、サル、または任意の他の哺乳動物などの動物から得ることができる。
【００９４】
哺乳動物細胞に対する適切な成長条件は当該技術分野において良く知られている（Ｆｒｅｓｈｎｅｙ，Ｒ．Ｉ．（２０００）Ｃｕｌｔｕｒｅ  ｏｆ  Ａｎｉｍａｌ  Ｃｅｌｌｓ，ａ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｂａｓｉｃ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｈｏｂｏｋｅｎ  Ｎ．Ｊ．，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ；Ｌａｎｚａら、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｔｉｓｓｕｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ；２ｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ  Ｍａｙ  １５，２０００；及びＬａｎｚａ＆Ａｔａｌａ，Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｔｉｓｓｕｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ；１ｓｔ  ｅｄｉｔｉｏｎ  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００１）。細胞培養培地には全般的に、必須栄養素、及び任意的に、培養している細胞型（複数可）により選択し得るさらなる要素（たとえば、成長因子、塩、鉱物、ビタミンなど）が含まれる。特定の成分を選択して、特定のタンパク質の細胞増殖、分化、分泌などを高めてもよい。全般的に、標準増殖培地として、ダルベッコ改変イーグル培地、低グルコース（ＤＭＥＭ）であって、１１０ｍｇ／Ｌピルベート及びグルタミンを伴い、１０〜２０ウシ胎児血清（ＦＢＳ）または仔ウシ血清及び１００Ｕ／ｍｌペニシリンによって補われたものが、当業者に良く知られた他の種々の標準培地と同様に適切である。成長条件は、用いている哺乳動物細胞の型及び所望する組織に応じて変化する。
【００９５】
いくつかの実施形態では、対応する細胞型と用いるために、細胞型特異的試薬を対象入力材料内で有利に用いることができる。たとえば、細胞外マトリックス（「ＥＣＭ」）を、対象とする組織から直接抽出した後に可溶性にして入力材料に組み込んで、プリントされる組織に対する組織特異的な入力材料を生成することができる。このようなＥＣＭは患者サンプルから容易に取得することができ、及び／またはｚＰｒｅｄｉｃｔａ（ｒＢｏｎｅ（商標）、ｚｐｒｅｄｉｃｔａ．ｃｏｍ／ｈｏｍｅ／ｐｒｏｄｕｃｔｓにおいて入手可能）などの供給業者から市販されている。
活性剤
【００９６】
いくつかの態様では、本発明の実施形態による入力材料には少なくとも１つの活性剤を含めることができる。このような活性剤の非限定的な実施例としては以下が挙げられる。ＴＧＦ−β１、ＴＧＦ−β２、ＴＧＦ−β３、ＢＭＰ−２、ＢＭＰ−４、ＢＭＰ−６、ＢＭＰ−１２、ＢＭＰ−１３、塩基性線維芽細胞成長因子、線維芽細胞成長因子−１、線維芽細胞成長因子−２、血小板由来成長因子−ＡＡ、血小板由来成長因子−ＢＢ、多血小板血漿、ＩＧＦ−Ｉ、ＩＧＦ−ＩＩ、ＧＤＦ−５、ＧＤＦ−６、ＧＤＦ−８、ＧＤＦ−１０、血管内皮細胞由来成長因子、プレイオトロフィン、エンドセリン、ニコチンアミド、グルカゴン様ペプチド−Ｉ、グルカゴン様ペプチド−ＩＩ、副甲状腺ホルモン、テネイシン−Ｃ、トロポエラスチン、トロンビン由来ペプチド、ラミニン、細胞結合ドメインを含有する生物学的ペプチド、及びヘパリン結合ドメインを含有する生物学的ペプチド、治療薬、ならびにそれらの任意の組み合わせ。
【００９７】
用語「治療薬」は、本明細書で用いる場合、被験者において局所的または全身的に作用する生物学的、生理学的、または薬理学的活性物質である任意の化学部分を指す。治療薬（「薬」とも言われる）の非限定的な実施例は、良く知られた文献参照、たとえばＭｅｒｃｋ  Ｉｎｄｅｘ、Ｐｈｙｓｉｃｉａｎ’ｓ  Ｄｅｓｋ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ、及びＴｈｅ  Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｂａｓｉｓ  ｏｆ  Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃｓに記載されており、それらには、限定することなく、以下が含まれる。薬剤；ビタミン；ミネラルサプリメント；疾患または病気の処置、予防、診断、治療、または緩和に対して用いられる物質；本体の構造または機能に影響する物質；またはプロドラッグ（生理的環境に配置された後に生物活性またはより活性になる）。いくつかの実施形態では、１つ以上の治療薬を用いることができる。これらは、被験者への移植時に、本明細書で説明した入力材料から隣接する組織または流体内に放出することができる。治療薬の実施例としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。抗生物質、麻酔剤、任意の治療薬であって、再生もしくは組織治療を促進するか、または痛み、感染、もしくは炎症、またはそれらの任意の組み合わせを軽減するもの。
【００９８】
さらなる活性剤としては以下を挙げることができる（しかし、これらに限定されない）。タンパク質、ペプチド、核酸アナログ、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ）、ペプチド核酸、アプタマー、抗体、またはそれらのフラグメントもしくは部分、抗原またはエピトープ、ホルモン、ホルモン拮抗薬、成長因子または組み換え成長因子、ならびにそれらのフラグメント及び変異体、サイトカイン、酵素、抗生物質または抗菌性化合物、抗炎症剤、抗真菌剤、抗ウィルス剤、毒素、プロドラッグ、小分子、薬（たとえば、薬、色素、アミノ酸、ビタミン、酸化防止剤）、またはそれらの任意の組み合わせ。
【００９９】
入力材料に含めるのに適した抗生物質の非限定的な実施例としては以下が挙げられる。アミノグリコシド（たとえば、ネオマイシン）、アンサマイシン、カルバセフェム、カルバペネム、セファロスポリン（たとえば、セファゾリン、セファクロル、セフジトレン、セフジトレン、セフトビプロール）、グリコペプチド（たとえば、バンコマイシン）、マクロライド（たとえば、エリスロマイシン、アジスロマイシン）、モノバクタム、ペニシリン（たとえば、アモキシシリン、アンピシリン、クロキサシリン、ジクロキサシリン、フルクロキサシリン）、ポリペプチド（たとえば、バシトラシン、ポリミキシンＢ）、キノロン（たとえば、シプロフロキサシン、エノキサシン、ガチフロキサシン、オフロキサシンなど）、スルホンアミド（たとえば、スルファサラジン、トリメトプリム、トリメトプリムスルファメトキサゾール（コトリモキサゾール））、テトラサイクリン（たとえば、ドキシサイクリン、ミノサイクリン、テトラサイクリンなど）、クロラムフェニコール、リンコマイシン、クリンダマイシン、エタンブトール、ムピロシン、メトロニダゾール、ピラジナミド、チアンフェニコール、リファンピシン、チアンフェニコール、ダプソン、クロファジミン、キヌプリスチン、メトロニダゾール、リネゾリド、イソニアジド、ホスホマイシン、フシジン酸、またはそれらの任意の組み合わせ。
【０１００】
抗体の非限定的な実施例としては以下が挙げられる。アブシキシマブ、アダリムマブ、アレムツズマブ、バシリキシマブ、ベバシズマブ、セツキシマブ、セルトリズマブペゴル、ダクリズマブ、エクリズマブ、エファリズマブ、ゲムツズマブ、イブリツモマブチウキセタン、インフリキシマブ、ムロモナブＣＤ３、ナタリズマブ、オファツムマブオマリズマブ、パリビズマブ、パニツムマブ、ラニビズマブ、リツキシマブ、トシツモマブ、トラスツズマブ、アルツモマブペンテテート、アルシツモマブ、アトリズマブ、ベクツモマブ、ベリムマブ、ベシレソマブ、ビシロマブ、カナキヌマブ、カプロマブペンデチド、カツマキソマブ、デノスマブ、エドレコロマブ、エファングマブ、エルツマキソマブ、エタラシズマブ、ファノレソマブ、フォントリズマブ、ゲムツズマブオゾガマイシン、ゴリムマブ、イゴボマブ、イムシクロマブ、ラベツズマブ、メポリズマブ、モタビズマブ、ニモツズマブ、ノフェツモマブメルペンタン、オレゴボマブ、ペムツモマブ、ペルツズマブ、レベリズマブ、ラプリズマブ、スレソマブ、タカツズマブテトラキセタン、テフィバズマブ、トシリズマブ、ウステキヌマブ、ビジリズマブ、ボツムマブ、ザルツムマブ、ザノリムマブ、またはそれらの任意の組み合わせ。
【０１０１】
本明細書で説明するように入力材料内で用いるのに適した酵素の非限定的な実施例としては以下が挙げられる。ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒドロゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、及びラッカーゼ。
【０１０２】
対象入力材料と用いるのに適した活性剤のさらなる非限定的な実施例としては、以下が挙げられる。細胞増殖培地、たとえばダルベッコ改変イーグル培地、ウシ胎児血清、非必須アミノ酸及び抗生物質；成長及び形態形成因子、たとえば線維芽細胞成長因子、トランスフォーミング増殖因子、血管内皮増殖因子、上皮成長因子、血小板由来成長因子、インスリン様成長因子）、骨形成成長因子、骨形成様タンパク質、トランスフォーミング増殖因子、神経成長因子、及び関連タンパク質（成長因子は当該技術分野で知られている。たとえば次を参照のこと。Ｒｏｓｅｎ＆Ｔｈｉｅｓ，ＣＥＬＬＵＬＡＲ＆ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＢＡＳＩＳ  ＢＯＮＥ  ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆ＲＥＰＡＩＲ（Ｒ．Ｇ．Ｌａｎｄｅｓ  Ｃｏ．，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘ．，１９９５）；血管新生抑制タンパク質、たとえばエンドスタチン、及び他の天然由来または遺伝子組み換えタンパク質；ポリサッカライド、糖蛋白質、またはリポタンパク質；抗感染症薬たとえば抗生物質及び抗ウィルス薬、化学療法薬（すなわち、抗ガン剤）、抗拒絶剤、鎮痛剤及び鎮痛剤組合せ、抗炎症剤、ステロイド類、またはそれらの任意の組み合わせ。
さらなる流体
【０１０３】
本発明の態様には１つ以上の緩衝液が含まれる。本発明の実施形態による緩衝液は入力材料（たとえば、ヒドロゲル）と混和性であり、入力材料を架橋しない。いくつかの実施形態では、緩衝液には水性溶媒が含まれる。緩衝液の非限定的な実施例としては、ポリビニルアルコール、水、グリセロール、プロピレングリコール、スクロース、ゼラチン、またはそれらの任意の組み合わせが挙げられる。
【０１０４】
本発明の実施形態による緩衝液の粘度は、約１ｍＰａ・ｓ〜約５，０００ｍＰａ・ｓの範囲とすることができる。たとえば、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１，０００、１，２５０、１，５００、１，７５０、２，０００、２，２５０、２，５００、２，７５０、３，０００、３，２５０、３，５００、３，７５０、４，０００、４，２５０、４，５００、または４、７５０ｍＰａ・ｓである。いくつかの実施形態では、緩衝液の粘度を、１つ以上の入力材料の粘度と一致するように調節することができる。
【０１０５】
本発明の態様には１つ以上のシース溶液が含まれる。本発明の実施形態によるシース溶液は、少なくとも部分的に、分配チャネルから分配されている入力材料を覆うかまたは「包む」ために用いることができる流体である。いくつかの実施形態では、シース流体には水性溶媒が含まれる。シース溶液の非限定的な実施例としては、ポリビニルアルコール、水、グリセロール、プロピレングリコール、スクロース、ゼラチン、またはそれらの任意の組み合わせが挙げられる。本発明の実施形態によるシース溶液の粘度は、約１ｍＰａ・ｓ〜約５，０００ｍＰａ・ｓの範囲とすることができる。たとえば、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１，０００、１，２５０、１，５００、１，７５０、２，０００、２，２５０、２，５００、２，７５０、３，０００、３，２５０、３，５００、３，７５０、４，０００、４，２５０、４，５００、または４，７５０ｍＰａ・ｓである。いくつかの実施形態では、シース溶液の粘度を、１つ以上の入力材料の粘度と一致するように調節することができる。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、シース溶液には化学架橋剤が含まれる。いくつかの実施形態では、化学架橋剤には２価カチオンが含まれる。２価カチオンの非限定的な実施例としては、Ｃｄ２＋、Ｂａ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃａ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ２＋、またはＭｎ２＋が挙げられる。好ましい実施形態では、Ｃａ２＋を２価カチオンとして用いる。いくつかの実施形態では、シース溶液における２価カチオンの濃度は、約８０ｍＭ〜約１４０ｍＭの範囲（たとえば、約９０、１００、１１０、１２０、または１３０ｍＭ）である。
使用方法
【０１０７】
本発明の態様には、直線状の繊維構造、１つ以上の繊維構造を含む平面構造、または平面構造の２つ以上の層を含む３次元（３Ｄ）構造をプリントする方法が含まれる。
いくつかの実施形態では、方法には最初に、プリントすべき平坦または３Ｄ構造に対するデザインを得ることが含まれる。デザインは市販のＣＡＤソフトウェアを用いて形成することができる。いくつかの実施形態では、デザインには、プリントすべき構造（複数可）内の特定の箇所に割り当てるべき特定の材料に関する情報（たとえば、複数の材料を含む不均質構造に対する）が含まれる。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、方法には３Ｄプリンタを用いることが含まれる。プリンタは、プリントヘッド、プリントヘッドによって分配された材料を受け取るための受け面、受け面に動作可能に結合された位置決めユニットであって、受け面上方の３次元空間内の場所にプリントヘッドを位置決めするための位置決めユニットを含む。たとえば、本明細書で提供されるプリンティングシステムの種々の実施形態を、平坦または３Ｄ構造をプリントする方法において用いてもよい。
【０１０９】
本方法の態様には、プリントヘッドによって分配すべき１つ以上の入力材料を得ることが含まれる。いくつかの実施形態では、１つ以上の細胞型が入力材料と適合し、任意的にその中に分配される。いくつかの実施形態では、シース流体は、プリントヘッド内の入力材料の動きを滑らかにするための平滑剤として機能する。いくつかの実施形態では、シース流体には、プリントヘッドから分配される前または分配される間にヒドロゲルの少なくとも一部を固化させるための架橋剤が含まれる。
【０１１０】
本方法の態様には３Ｄプリンタにデザインを伝達することが含まれる。いくつかの実施形態では、伝達は、たとえばプログラマブル制御プロセッサによって実現することができる。いくつかの実施形態では、本方法には、３次元空間内でのプリントヘッド及び受け面の相対位置決めを制御することと、プリントヘッドからシース流体及び入力材料を単独でまたは組み合わせて同時に分配することとが含まれる。いくつかの実施形態では、シース流体が入力材料を覆うように、プリントヘッドから分配される材料を同軸に分配する。このような同軸配置によって、シース流体内の架橋剤が入力材料を固化させることができ、その結果、固化した繊維構造が生じてプリンタヘッドから分配される。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、方法には、分配された繊維構造の第１の層を受け面上に堆積させることであって、第１の層にはデザインによって指定された繊維構造の配置が含まれる、堆積させることと、堆積ステップを反復的に繰り返すことと、後続の繊維構造を第１及び後続の層上に堆積させて、その結果、分配された繊維構造を、デザインによって指定された幾何学的な配置で何層も堆積させて、３Ｄ構造を生成することと、が含まれる。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、複数の入力材料（たとえば、複数のヒドロゲルであって、その少なくとも一部には１つ以上の細胞型が含まれるもの）を、制御されたシーケンスで堆積させて、その結果、入力材料及び細胞型の制御された配置を、デザインによって指定された幾何学的な配置で堆積させることが可能になる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、方法には、過剰流体を受け面から、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から除去することが含まれる。たとえば、過剰流体を除去するステップをプリンティングプロセスの全体にわたって連続的に行うことによって、そうでなければ、分配された繊維構造をデザインが与える幾何学的な配置で層状にすることを妨げ得る過剰流体を除去することができる。代替的に、過剰流体を除去するステップを、１つ以上の堆積ステップと順次にまたは同時に、プリンティングプロセスの全体にわたって断続的に行うことができる。いくつかの実施形態では、過剰流体の除去を、受け面から、及び任意的に、分配された繊維構造の表面から流体を引き出すことによって実現する。いくつかの実施形態では、過剰流体の除去を、受け面を通して過剰流体を引き出すことによって実現する。受け面には流体を通過させるサイズの孔が含まれる。いくつかの実施形態では、過剰流体の除去は、分配オリフィスから分配された後に蒸発する流体を与えることによって実現される。
【０１１４】
本発明の態様には、１つ以上の入力材料を含む３Ｄ構造を作る方法が含まれる。３Ｄ構造は、被験者の損傷または病変組織の少なくとも一部を修復し及び／または取り替えることに用途が見出される。
【０１１５】
前述したように、任意の好適な２価カチオンを対象方法とともに用いて、化学架橋可能な入力材料（たとえば、限定することなく、Ｃｄ２＋、Ｂａ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃａ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ２＋、またはＭｎ２＋）を固化させることができる。好ましい実施形態では、Ｃａ２＋を２価カチオンとして用いる。１つの好ましい実施形態では、化学架橋可能な入力材料を、Ｃａ２＋を含む溶液と接触させて、固化した繊維構造を形成する。いくつかの実施形態では、シース溶液内のＣａ２＋の濃度は、約８０ｍＭ〜約１４０ｍＭの範囲（たとえば、約９０、１００、１１０、１２０、または１３０ｍＭ）である。
【０１１６】
ある実施形態では、入力材料は約５秒未満（たとえば、約４秒未満、約３秒未満、約２秒未満、または約１秒未満）で固化される。
【０１１７】
本発明の態様には、１つ以上の入力材料をソフトウェアツールを用いてパターン状で堆積させて、多層３Ｄ組織構造内に形成される固化した構造の層を形成する方法が含まれる。いくつかの実施形態では、多層３Ｄ組織構造には複数の哺乳動物細胞が含まれる。有利なことに、対象入力材料の成分（たとえば、哺乳動物細胞型、細胞密度、マトリックス成分、活性剤）を調整することによって、対象方法を用いて多層３Ｄ組織構造を形成することができる。多層３Ｄ組織構造は、正確に制御された組成物を３次元空間内の任意の特定の場所に有する。
したがって、対象方法によって、複雑な３次元の組織構造の製造が容易になる。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、本方法には、入力材料を分配チャネル内の緩衝液によって移動させて、入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を停止することが含まれる。いくつかの実施形態では、分配チャネル内で入力材料を緩衝液によって移動させることには、分配チャネル内で一定の質量流量を維持することが含まれる。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、本方法には、分配チャネル内で緩衝液を入力材料によって移動させて、入力材料を含む固化した繊維構造の堆積を始めることが含まれる。いくつかの実施形態では、分配チャネル内で緩衝液を入力材料によって移動させることには、分配チャネル内で一定の質量流量を維持することが含まれる。
有用性
【０１２０】
いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるシステム及び方法を用いて生成された構造は、創薬の分野において有用である可能性がある。たとえば、種々の化合物及び組成物に対する細胞応答を決定することは興味深い。本明細書で提供されるシステム及び方法の実施形態を用いて作製される平坦及び３Ｄ細胞培養を用いれば、従来の２Ｄ細胞培養と比べて生体内細胞及び組織状態により酷似する実験条件を得ることができる。細胞を３Ｄ配置すると、生体内細胞間相互作用及び外部刺激に対する応答をより厳密に模倣することができ、本明細書で提供されるシステム及び方法を用いて生成することができる３Ｄ構造の不均質性によって、組織及び潜在的な臓器の研究が可能になる。本明細書で提供されるシステム及び方法の実施形態を用いて作製される３Ｄ細胞担持構造によって、化粧品業界に同様の利益をもたらすことが、化粧品をテストする代替手段を提供することによって可能であると考えられる。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるシステム及び方法の種々の態様は標準的なウェルプレート技術と適合する。ウェルプレートまたはウェルプレートインサートを、本明細書で提供される方法及びシステムにおけるプリントベッドとともにまたはプリントベッドの一部として用いてもよい。したがって、本明細書で提供されるシステム及び方法の種々の実施形態は、ウェルプレートを用いる器具及び慣行に適合するため、既存のプロセスストリームに容易に組み込むことができる。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、対象プリントヘッド内の１つ以上の流体チャネルは他のマイクロ流体モジュールと適合する。たとえば、既知のマイクロ流体モジュールを、分配オリフィスの上流で、本明細書で提供されるシステムのプリントヘッドに含めることができる。このようなモジュールとしては、たとえば、細胞計数、細胞選別、細胞分析、及び／または濃度勾配生成モジュールを挙げてもよい。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、３Ｄプリンティングのスループットは、システムにさらなるプリントヘッドを並列に加えることによって増加させることができる。各プリントヘッドには、多材料構造をプリントするために必要なすべての要素が含まれているため、システムにさらなるプリントヘッドを含むことによって、いくつかの３Ｄ構造を同時にプリントすることができる。
【０１２４】
本明細書で参照した特許及び特許公報はすべて、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。
【０１２５】
前述の発明を、理解を明瞭にするために説明及び実例として詳細に説明してきたが、本発明の教示を考慮すれば当業者には容易に明らかであるように、添付の請求項の趣旨または範囲から逸脱することなく、ある程度の変形及び変更を施すことができる。
【０１２６】
したがって、前述では単に本発明の原理を例示しているだけである。当然のことながら、当業者であれば、本明細書では明示的に記載も図示もされていないが本発明の原理を具体化してその趣旨及び範囲に含まれる種々の配置を考案することができる。さらに、本明細書で説明したすべての実施例及び条件付き言語は、本発明の原理及び技術を推し進めるために発明者から寄与されたコンセプトを読者が理解することを助けることを主に意図しており、またこのような具体的に説明した実施例及び条件に限定されないものと解釈すべきである。また、本発明の原理及び態様ならびにその具体的な実施例を説明する本明細書の記述はすべて、その構造的及び機能的均等物の両方を包含することが意図されている。さらに、このような均等物には、現時点で知られている均等物及び将来開発される均等物（すなわち、構造にかかわらず同じ機能を実行する開発される任意の要素）の両方が含まれることが意図されている。したがって、本発明の範囲は、本明細書で図示し説明した典型的な態様に限定されることは意図していない。むしろ、本発明の範囲及び趣旨は添付の請求項によって具体化される。
【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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【国際調査報告】
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