計測自動制御学会 東北支部 第245回研究集会（2008．10．24）
資料番号245・16
細胞プリンターのインクジェットノズル吐出特性に関する研究

Astudyontheperformanceoftheinkjetnozzleinthebio−Printer○瀧澤寛一（山形大学）、瀧浦晃基（山形大学）

OKanichiTakisawa，KokiTakiura

山形大学

Yamagata University
キーワード＝再生工学（Tissue Engineering）インクジェット（Inkjet），ピエゾ素子（Piezoelectric
E】ement），人工臓器（ArtificialOrgans）

連絡先：〒992・8510 米沢市城南 4・3・16山形大学大学院理工学研究科
瀧浦晃基，Tel，Fax：0238・26・3192，E・mail：takiura＠vz．vamagata・u．aC，jl）

1．緒言
現在、臓器疾患などはドナー臓器一人工臓器を移植することで治療が行われているが、ドナルで打ち出して積層させ、3次元構造物を作製するのが本プロジェクトの目的である1．本研究では3次元構造物作製のためにインクジェットノズルの吐出特性を検証する．

ーからの臓器提供は非常に少なく、非自己組織の移植のために拒絶反応を起こしたり、人工2．インクジェット技術

臓器については動力・耐久性など多くの問題をインクジェット技術を利用して生休組織をつく抱えている．

るにあたり、複数の細胞を吐出できるカラー印

このようなことから、自己の生きた細胞をつ刷、細胞1個（pLレベル）の大きさと同等のスかって組織や臓器を作製しようというのが組織ケールで液滴を吐出できて適材適所への配置工学である．現在の組織工学によって、皮膚やができる高解像度印刷、大きなサイズの構造軟骨などの薄く単一な組織は既につくられてい物の作製に適した高速印刷など有利な特性がるが、重要臓器などの複数の細胞からなり、血いくつもある2．

管組織が豊富な臓器は複雑で作製には至っていない．

それに対しての有用な手法の一つとしてプリ3．実験装置ノズルはピエゾ素子を利用したものを使用す

ンターに用いられているインクジェット技術を利る（富士電機製）．ピエゾ素子に電圧がかかり、用し、液体に細胞を含ませ、インクジェットノズ

変形することによりノズル内で加圧と減圧を繰り返して液滴を吐出させる．ノズルと吐出原理
maX】mumYOltdge

をFig，1、実験装置概要をFig．2に示す．

intermediate
VOlt8EeFig．1NozzleandtheprincIPユeofejection

Fig．4Nozzledrivingvoltage（Push・Pull・Pull，PPP wave）
Fig．4は最大電圧がかかり大きく押出し、中間電位によって小さく引くことで液滴を引きちぎり、2度目の引込みで次の吐出に備えるというFig．2Experimentalapparal二uSものである．

まず、方形波での蒸留水の吐出を行った．ピ
吐出液体には蒸留水と0．8％アルギン酸ナト

エゾ素子に印加する電圧を60〜120Vに変化リウム水溶液を使用する．アルギン酸ナトリウ

させ、周波数500Hz、パルス幅200〟Sに設定

ムを塩化カルシウム溶液の中に打ち出すことし、様子を観察した．その結果をFig．5に示す．

によって液滴がゲルビーズになり、そのど−ズを積層させることができる．

また、最大電圧がかかったときからストロボが点灯するまでの時間をtとする（Fig．3）．

電圧、駆動波形、パルス幅、周波数、吐出液体の種類を変え、ストロボにて画像を撮り、吐（Voltage）

60V 70V 80V 90V lOOVllOV120V

出された液滴形の観察や速度の測定、条件ごとに比較し、ノズルの吐出特性を検証する．

4．実験方法及び実験結果
駆動波形についてはFig．3の方形波と、文献3にあるように中間電位を与えたFig．4のPPPwaveを試験した．

（a）t＝30〃S
mdXlnum
YOltageFig．3Nozzledrivingvoltage（Squarewave）（Voltage）

60V 70V 80V 90V lOOVllOV120V（b）t＝80〃S

、−（Voltage）

60V 70V 80V 90V lOOVllOV120V

PPPwaveで最大電圧100V、中間電位80V、周波数500Hz、パルス帽200〃Sとし、最大電圧時間を3〜100〃S内で変化させ、蒸留水とアルギン酸ナトリウム水溶液の吐出の様子を観察した．Fig．7にその様子を示す．
（Maximumvoltageperiod）
3〟s lOJJs 20〟s 40〟s 60〟s 80／ノS lOOJノS（c）t＝130〃S

Fig．5 Thestateofdroplet（squarewave）
Fig．5（a）で、t＝30〃sのとき液滴が出始めている．最大電圧が印加してからまもなく吐出が始まっていることが分かる．電圧が上がることでピエゾ素子の変位が大きくなることになり、液滴速度が増加している（Fig．5（b））．また、電圧が大きくなるほど、それぞれの液滴速度の差が（a）t＝50〃S：Water（Maximumvoltageperiod）
3〃s lO〃S 20JノS 40〟s 60JノS BO〟s lOOJノS

小さくなっていくのがみて取れる．Fig．5（c）との前後を詳しく調べると、液滴がノズル出口から離れるまでの時間が分かり、その結果をFjg．6にまとめた．
111111513〃s lO〟s 20〟s 401Js 60〟s 801Js IDO〟s（MaximumvoLtageperiod）

10＝ヤ＝nU 0nU5 nヲ

5u口篭山芯芯五〇占︹∪2︻ミュuロ焉﹂コP

52（b）t＝90〃S：Water

50 6□ 70 日ロ 9010011012ロ13〔，■■・／0帖geM

Fig．6 Dropletejectionduration
Squarewave，Frequency：500Hz，

Pulsewidth：200FLs（c）1二＝50［Ls：0．8％Alginicacidliqui（1（MaxFmumvoltageperiod）

3〟s lO〃s 20〟s 40〟s 60〟s 80〟s lOOJJS

液滴がノズルから離れる時間は電圧を上げてもおおよそ100〜120〃sの時間範囲に収まっている．この方形波の結果から、Fig．4のPPPwave の最大電圧時間を変化させたときの効果について考えた．最大電圧から100〜120〃Sの範囲内で電圧を下げて中間電位を与えれば、柱状の液滴を自由な位置で引きち（d）t＝90〟s：0．8％Alginicacidliquidぎれるのではないかと予想した．

Fig．7Thestateofdroplet（PPPwave）

最大電圧の時間変化による液滴の変化につわるときもある．目詰まりや気泡によるものだといては、最大電圧から20Vほど下がることです

考えられるので、実験方法の他にも洗浄方法

ばやくノズル内に液滴を引き込み、僅かだが液や保管状況を検証していきたい．

滴速度を抑える効果がみられた．また、蒸留水よりアルギン酸ナトリウム水溶液のほうが液滴速度の差が大きくなった．なお、Fig．7（a）、（b）の最大電位時間80〃sは不安定な吐出となったため、他の吐出と異なったものとなった．
ここでさらに中間電位を60、40、20Vと下げたPPPwaveを試験したが、中間電位を下げる
ほど吐出の不安定性が顕著となり、液滴は吐出できなくなってしまった．また、吐出液体の粘度によって液滴速度が変わるので、濃度の異なるアルギン酸ナトリウム水溶液で吐出の様子などを観察する必要があると考えられる．

5．まとめ
電圧を下げることで液滴速度も下がった．今回の実験では、電圧を下げることで液滴は柱状のまま速度が落ちていたが、吐出直後に球状の液滴になることもあった．しかし、ピエゾ素子の変位が小さい分液滴がノズルから吐出しきれないことが多かった．電圧を上げるとピエゾ素子の変位が大きくなる分、速度が増加し、液滴が出やすくなる．しかし長い柱状になると着弾するまでに複数に分離するため（サテライトの発生）、着弾後、ムラになったりすることが考えられる4．

6．今後の課題
PPPwaveを用いた吐出について、液滴の大きさの制御を可能とする最大電圧時間や中間電位などのパラメータを特定することを目指す．
実験では同じ型式のノズルを複数個使用しているが、液滴の出方はそれぞれ異なり、吐出できるノズルとできないノズルの差が激しい．また、同じノズルでも実験ごとによって出方が変7．参考文献1）中村真人：医学のあゆみ218巻2号バイ
オプリンティング一生休組織と臓器作成へのチャレンジ（2006）

2）中村真人：Tissue Engineeringのための細胞組織マイクロ構築技術の基礎研究（2006）

3）北原強：超高精細インクジェット記録技術，
セイコーエプソン株式会社（技術資料）

4）MICROJETCorl〕ration，
htt二p：／／www．microjet．co．］P