JP7352994B2 - バイオインク供給システム及びそれを用いた３ｄバイオプリンティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオインク供給システムに関し、より詳細には、３Ｄバイオプリンティング工程中にリアルタイムでヒドロゲルと細胞とを混合して連続的にバイオインクを供給することができるバイオインク供給システム及びそれを用いた３Ｄバイオプリンティング方法に関する。

また、本発明は、３Ｄプリンターヘッドに関し、より具体的には、高温部ヘッドの断熱性能を改善して低温部ヘッドに結露が発生しない３Ｄプリンターヘッド及びそれを含む３Ｄプリンターに関する。

さらに、本発明は、バイオクリーンベンチシステムに関し、より詳細には、生物学的に安定な環境で３Ｄプリンティングを行うことができる３Ｄプリンティングシステム及びそれを用いた３Ｄプリンティング方法に関する。

本発明は、産業通商資源部が後援する産業技術革新プログラム（産業技術革新プログラム第２００００３２５号）の支援によるものである（Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．２００００３２５） ｆｕｎｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ Ｏｆ Ｔｒａｄｅ， Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＆ Ｅｎｅｒｇｙ（ＭＩ， Ｋｏｒｅａ））。

３Ｄバイオプリンティング技術とは、バイオプリンター、バイオインク、細胞、成長因子などに基づいて、ユーザ所望の形状を造形及び積層して特定の形状を作製することができる技術をいう。

この種の３Ｄバイオプリンティング技術を利用して、疾病の治癒に役立つ様々な研究、例えば、オルガノイド（Ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（Ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）、動物実験代替のための組織及び臓器類似体などについての研究が盛んに行われている。３Ｄバイオプリンティング素材であるバイオインクには、増殖及び分化が可能な、生きている細胞や人間の組織のように、長い間特定の形状や構造が維持できるコラーゲン、ゼラチン、アルジネートなどのヒドロゲルが混合された材料が活用されたりもする。しかし、細胞の生存条件とバイオプリンティングのためのヒドロゲルの保管条件が互いに異なるため、細胞とヒドロゲルとを混合して製造した大容量のバイオインクを長時間保管することには限界がある。また、従来のバイオプリンターは、シリンジに少量のバイオインクのみを収容することができるだけであって、大型（ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ）の人工臓器をプリントしたり、多数のオルガノイド（ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）などを連続的にプリントしたりすることが難しいという問題点を持っている。

一方、３Ｄプリンティング技術とは、３Ｄプリンターを介してプリンティング用材料組成物を、予め決められたパターンで積層して３次元構造物を製造する技術をいい、特に、生体適合性のあるプリンティング組成物を用いて生体組織を３Ｄプリントする技術を３Ｄバイオプリンティングと定義している。このような３Ｄバイオプリンティングシステムを用いて、病気の治癒に役立つ様々な研究、例えば、オルガノイド（ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）、動物実験代替のための組織及び臓器類似体などについての研究が盛んに行われている。３Ｄバイオプリンティングに用いられるプリンティング組成物としては、ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）、熱可塑性高分子などをベースとし、細胞或いは成長因子（ｇｒｏｗｔｈ ｆａｃｔｏｒ）などが含まれ得る。

このような３Ｄバイオプリンティングシステムを用いて、オルガノイド（ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）、動物実験代替のための組織及び臓器類似体などの３Ｄ構造物を製造するとき、多くの場合、ヒドロゲルなどの生体適合性のあるプリンティング組成物と熱可塑性高分子組成物を一緒に吐出又はプリントすることができる多重ヘッドを使用する。ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）、熱可塑性高分子などをベースとするプリンティング組成物を用いて３Ｄプリンティングを行うためには、前記プリンティング組成物が３Ｄプリンターヘッド内から吐出できるように流動性のある液相（ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ）に維持されなければならない。

熱可塑性高分子を含むプリンティング組成物は、３Ｄプリンターのヘッド内で流動性のある液相である半固体状態に維持できるように、吐出或いはプリントする３Ｄプリンターヘッドの内部で高温に維持されなければならないが、このとき、外部との温度差により３Ｄプリンターヘッドの表面に外部の空気中の水分が凝縮して結露が発生する。

また、ヒドロゲルのような生体適合性のあるプリンティング組成物を用いて３Ｄプリンティングを行うためには、常温又はそれ以下の低温に維持されれば相変化が起こらず、プリントするのに適した流動性のある液相（ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ）を維持することができる。このとき、外部との温度差により、３Ｄプリンターヘッドの表面に外部の空気中の水分が凝縮して結露が発生することもある。

したがって、互いに異なる複数の素材を使用するプリンターのマルチヘッドの場合には、このような使用温度範囲の差異により、３Ｄプリンターヘッドの表面に外部の空気中の水分が凝縮して結露が生じることがある。このような結露は、周辺の汚染物質を容易に捕集する性質があるため、結露の発生は、クリーンなプリンティング環境が維持されるべき３Ｄバイオプリンティングにおいて非常に致命的である。また、３Ｄプリンターヘッドの表面に発生した結露が互いに凝集すると、プリンティング中の印刷物に落ちるという問題が発生する。

実際も、図１に示されているように、互いに異なる温度に維持される３Ｄプリンターヘッドが（３Ｄプリンターの内部構造により）隣接するように配置される場合、相対的に高い温度（１６℃）に維持されるプリンターヘッドから放出される熱により、相対的に低い温度（４℃）で運転されるプリンターヘッドの外周面に結露が発生する（３Ｄプリンターが位置するクリーンルームの露点温度は約９℃である）。

従来は、このような結露防止のための温度調節のために、３Ｄプリンターヘッドの背面にファンを装着して３Ｄプリンターヘッドを冷却させたが、このようにファンを用いて温度調節を行う場合には、３Ｄプリンターヘッドだけでなく、３Ｄプリンティング空間全体の温度を変化させるので、結露が依然として発生するという問題があるだけでなく、このような温度調節用ファンの作動により、３Ｄプリンター装置の周囲の汚染物質がプリンティング中の印刷物に集中するという問題点も発生するおそれがある。

前記３Ｄバイオプリンティングに用いられるバイオプリンティング組成物は、ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）などをベースとして細胞、成長因子（ｇｒｏｗｔｈ ｆａｃｔｏｒ）などが含まれた３Ｄプリンティング材料である。バイオプリンティング組成物に含まれた細胞の生存のためには、３Ｄバイオプリンティング環境が無菌状態に維持され、温度及び湿度も一定に維持されなければならない。一般に、クリーンルーム（ｃｌｅａｎ ｒｏｏｍ）に３Ｄバイオプリンターを配置することにより、クリーンな３Ｄバイオプリンティング環境を造成することができるが、これは、費用が多くかかり、特殊認証設備を備えなければならないという問題点がある。また、クリーンルームを介して清浄な空気を供給しても、空気の流れ（気流）によって停滞領域が発生し、このような停滞領域に微粒子などの汚染源が集まり、これによりプリンティング結果物が物理的或いは生物学的に汚染されるという問題点が発生する。

本発明は、３Ｄバイオプリンティング中にも活性のあるバイオインクをバイオプリンターのシリンジに連続的に供給することができるバイオインク供給システム及びそれを用いた３Ｄバイオプリンティング方法を提供しようとする。

また、本発明は、熱伝導度が非常に低い高分子素材を用いてプリンティングヘッドにカバーを形成することにより、断熱性能に優れるため、低温で運転される３Ｄプリンターヘッドの表面に結露が生じない３Ｄプリンターヘッド、それを含む３Ｄプリンター、及び３Ｄプリンティングシステムを提供しようとする。

また、本発明は、高価なクリーンルーム（ｃｌｅａｎ ｒｏｏｍ）設備を使用しなくても、生物学的に安定なクリーン環境で駆動装置の作動（例えば、３Ｄプリンティング等）を行うことにより、汚染されていない安定な結果物を得ることができるバイオクリーンベンチシステム及びその運転方法を提供しようとする。

本発明の一実施形態としては、ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）貯蔵部１１００；細胞貯蔵部１２００；ヒドロゲル貯蔵部１１００及び細胞貯蔵部１２００からヒドロゲルと細胞溶液の供給を受ける混合部１３００；シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を測定するセンサー部１５００；及びセンサー部１５００から信号を受けてシリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持させる制御部１６００；を含み、前記混合部１３００は、ヒドロゲルと細胞溶液とを混合して製造したバイオインクをシリンジ１４００へ供給する、バイオインク供給システムが挙げられる。
前記ヒドロゲル貯蔵部１１００はｐＨ調節手段を含むことができ、前記細胞貯蔵部２００は攪拌手段を含むことができる。
また、前記細胞貯蔵部１２００は、５％ＣＯ_２、３７℃、及びｐＨ７～７．５が維持されることが好ましい。

前記混合部１３００は、混合手段１３１０としてインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）を含むことができ、前記センサー部１５００は、レーザセンサー又はストレッチセンサー１５１０を含むことができる。

一方、本発明の実施形態は、３Ｄバイオプリンティング方法を含むが、ヒドロゲルをヒドロゲル貯蔵部１１００に保管するステップと、生きている細胞が含まれた細胞溶液を細胞貯蔵部１２００に保管するステップと、ヒドロゲル貯蔵部１１００及び細胞貯蔵部１２００からヒドロゲルと細胞溶液を混合部１３００に供給するステップと、混合部１３００でヒドロゲルと細胞溶液を混合してシリンジ１４００に供給するステップと、シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持するステップと、を含む。

前記ヒドロゲルは、アルジネート、フィブリノゲン、カルボキシルメチルセルロース、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、コラーゲン又はデキストランを含むことができる。

ヒドロゲルを保管するステップは、１０～１５℃及びｐＨ５～６の条件で行われることが好ましく、細胞溶液を保管するステップは、５％ＣＯ_２、３７℃及びｐＨ７～７．５の条件で行われることが好ましい。

本発明の他の実施形態としては、３Ｄプリンティングヘッドを挙げることができ、プリンティング組成物１が収容され、下部のノズル部１５０を介してプリンティング組成物１が吐出されるシリンジ１００；前記シリンジ１００の外周面に形成されたヒーティングブロック１２０；及び前記ヒーティングブロックを包み込むカバー１３０；を含み、前記ヒーティングブロック１２０を介して前記シリンジ１００の内部へ熱を伝達し、カバー１３０によって前記熱の外部放出が遮断されることを特徴とする。

前記プリンティング組成物１には熱可塑性高分子が含まれ、前記カバー１３０は、断熱及び耐熱特性に優れたエンジニアリングプラスチック又はセラミック素材であることが好ましい。

また、カバー１３０は、前記ヒーティングブロック１２０が収容されるメインカバー１３１；前記メインカバー１３１の上端に結合され、前記ヒーティングブロック１２０の上端を包み込む上部カバー１３２；及び前記メインカバー１３１の下端に結合され、前記ヒーティングブロック１２０の下端を包み込む下部カバー１３３；を含むプレハブ構造であるか、或いはこれらのそれぞれが一体型からなる一体型構造で形成できる。

また、前記カバー１３０の厚さは１～１０ｍｍであり、前記ヒーティングブロック１２０を加熱するカートリッジヒーターは熱線、熱電対素子或いはペルチェ素子を含むことができる。

本発明の他の実施形態としては、前述した３Ｄプリンターヘッドを高温ヘッド１６０として含み、ヒドロゲルが収容され、下部のノズル部を介してヒドロゲルが吐出されるシリンジ１０１を低温ヘッド１７０として含む、マルチ３Ｄプリンターヘッドが挙げられる。

このような低温ヘッド１７０を構成するシリンジ１０１の外周面に吸湿部１４１がさらに含まれることができるが、前記吸湿部１４１は、吸収性に優れたウール（ｗｏｏｌ）又は綿（ｃｏｔｔｏｎ）素材、或いはシリカゲル、塩化カルシウム又はゼオライトを含むことができる。

また、前記吸湿部１４１は、磁石、面ファスナー又はボルト固定式で前記シリンジ１０１の外周面に対して着脱可能である。

本発明の別の実施形態として、熱可塑性高分子を含むプリンティング組成物１が収容され、下部のノズル部１５０を介してプリンティング組成物１が吐出されるシリンジ１００；前記シリンジ１００の外周面に形成されたヒーティングブロック１２０；及び前記ヒーティングブロックを包み込むカバー１３０；を含み、前記ヒートブロック１２０を介して前記シリンジ１００の内部に熱を伝達し、カバー１３０によって前記熱の外部放出が遮断されることを特徴とする３Ｄプリンティング高温ヘッド１６０と；ヒドロゲルが収容され、下部のノズル部を介して吐出されるシリンジ１０１、及び前記シリンジ１０１の外周面に付着する吸湿部１４１を備える３Ｄプリンティング低温ヘッド１７０と；を含む、マルチヘッド３Ｄプリンターが含まれる。

また、本発明は、上述したマルチヘッド３Ｄプリンターを用いて、生体組織を３Ｄプリントする３Ｄバイオプリンティングシステムをさらに含むことができる。

本発明の別の実施形態によるクリーンベンチシステムは、ハウジング；前記ハウジングの内部に空気を供給する空気供給ユニット；前記ハウジングの内部に位置する駆動装置；及び前記駆動装置を覆うように形成され、供給される空気の気流を制御する気流ガイド；を含む。

前記駆動装置は、機械的作動或いは動きを伴う３Ｄプリンター、攪拌装置、培養器及び自動ピペット装置よりなる群から選択される少なくとも一つであり、前記気流ガイドをなす複数の面は、供給される空気の気流方向に対して９０度以下の角度をなすように形成され、空気供給ユニットから供給される気流の方向を下方に誘導することにより、気流の停滞領域を除去することを特徴とする。

前記空気供給ユニットは、空気供給ユニットの下部に形成された空気供給口；及び前記空気供給口に設置されたフィルター；を含むことができ、本発明によるクリーンベンチシステムは、温度又は湿度が調節された空気を前記空気供給ユニットへ供給する温湿度調節部をさらに含むことができる。

また、ハウジングは、内部が肉眼で確認できるように透明窓が備えられることができ、前記フィルターは、ヘパフィルター（ＨＥＰＡ Ｆｉｔｅｒ）又はプレフィルター（Ｐｒｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が使用できる。

前記気流ガイドは、３Ｄプリンターのステージを覆うステージカバー；或いは３Ｄプリンターのケーブルを覆うケーブルカバー；をさらに含むことができるが、前記ケーブルカバーは、気流ガイドの前後移動に応じてレール構造を介してスライドできる。

本発明の変形例として、クリーンベンチシステムを運転する方法が挙げられるが、温湿度調節部を介して温度及び／又は湿度が調節された空気を空気供給ユニットへ供給する温湿度調節ステップと、前記空気供給ユニットに供給された空気をフィルターで濾過してハウジングの内部へ供給する空気供給ステップと、前記ハウジングの内部に供給された空気をハウジングの下部に形成された通気口を介して排出する空気排出ステップと、を含み、前記ハウジングの内部に位置する駆動装置を覆うように形成された気流ガイドを介して、前記空気供給ユニットによって供給される空気の気流を制御することを特徴とする。

本発明のバイオインク供給システムは、活性のあるバイオインクを３Ｄバイオプリンティング中にも連続的にバイオプリンターのシリンジへ供給することができるため、大型（ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ）の生体組織や多数のオルガノイド（ ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）などを連続的にプリントすることができる。

また、バイオプリンティング中にもシリンジ内部のバイオインクの水位を一定に維持させることができるため、精密なバイオプリンティングが可能である。

本発明によるマルチ３Ｄプリンターヘッドは、熱伝導度が非常に低く、耐熱性に優れた高分子で形成されたカバーを高温ヘッドに含むことにより、一緒に使用される低温専用３Ｄプリンターヘッドの表面に結露が発生しないため、クリーンな３Ｄプリンティング環境を維持することができる。

また、本発明のカバーは、３Ｄプリンターヘッドの内部の熱が外部へ放出されるのを抑制するので、３Ｄプリンターヘッドの内部温度を一定に維持するための電力消費量を低めることができる。

本発明によるクリーンベンチシステムは、高価なクリーンルーム（ｃｌｅａｎ ｒｏｏｍ）設備を使用することなく、無菌状態の環境を提供することができる。

本発明のクリーンベンチシステムは、気流ガイドを含むことにより、供給される空気の流れ（気流）を円滑にして、ハウジング内に位置する駆動装置、特に３Ｄプリンティングシステムに停滞した微粒子（汚染物質）が伝達されて汚染されるのを効果的に防止することができる。

また、本発明によるクリーンベンチシステムは、３Ｄプリンティングシステムを内部に収容し、温度及び湿度調節、及び汚染源の制御が可能であるので、生物学的に安定な環境でバイオ３Ｄプリンティング工程を安定的に行うことができる。

従来技術によるマルチ３Ｄプリンターヘッドに結露が発生する例を示す写真である。 本発明の一実施例によるマルチ３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０の斜視図である。 本発明の一実施例によるマルチ３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０の断面図である。 本発明の高温ヘッド１６０に使用されるカバー１３０の分解図である。 本発明の一実施例によるマルチ３Ｄプリンター用低温ヘッド１７０の断面図である。 本発明の一実施例による３Ｄプリンターヘッドの断熱性能を測定して示すグラフである。 本発明の他の実施例によるクリーンベンチシステムの斜視図である。 本発明の他の実施例によるクリーンベンチシステムの内部を示す図である。 本発明の他の実施例によるクリーンベンチシステムの内部に収容できる３Ｄプリンターの斜視図である。 本発明の他の実施例によって、３Ｄプリンターと結合された気流ガイドの斜視図である。 本発明の他の実施例による３Ｄプリンターと結合された気流ガイドの背面図である。 本発明の他の実施例による３Ｄプリンターと結合された気流ガイドの側面図である。 本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムの概略的な構成を示す概念図である。 本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムのセンサー部を示す図である。 本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムが適用された３Ｄバイオプリンターの斜視図である。 本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムが適用された３Ｄバイオプリンターの斜視図である。 本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムが適用された３Ｄバイオプリンターの斜視図である。

以下、本発明の好適な実施例によって詳細に説明する前に、本明細書及び請求の範囲に使用された用語又は単語は、通常又は辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきであることを明らかにする。

本明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。また、本明細書で記述した「部」とは、特定の機能を行う１つの単位又はブロックを意味する。

各ステップは、文脈上明らかに特定の順序を記載しない限り、明示された順序とは異なる方式で実施できる。すなわち、各ステップは、明示された順序と同一に実施されてもよく、実質的に同時に実施されてもよく、逆の順序で実施されてもよい。
以下では、本発明のバイオインク供給システム及びそれを用いた３Ｄバイオプリンティング方法についてより詳細に説明する。

本発明は、３Ｄプリンターの構成要素のうち、プリンティング組成物が収容及び吐出される３Ｄプリンターヘッドに関する発明であり、特に、互いに異なる温度範囲で運転されるマルチ３Ｄプリントヘッドの表面に結露が発生する現象を効果的に防止することができるヘッド構造及びそれを含む３Ｄプリンター、３Ｄプリンティングシステムに関する。本発明を説明するにあたり、不要な３Ｄプリンターのその他の構成要素についての説明は省略する。

以下では、本発明の断熱性能が向上して結露を防止することができる３Ｄプリンターヘッドについてより詳細に説明する。

図２は本発明の一実施例による３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０の斜視図であり、図３は本発明の一実施例による３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０の断面図である。

図２及び図３を参照して説明すると、本発明の一実施形態による３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０は、プリンティング組成物１を吐出するシリンジ１００と、前記シリンジ１００の外周面に形成されたヒーティングブロック１２０と、前記ヒーティングブロック１２０を包み込むように形成されたカバー１３０と、を含む。

本発明の３Ｄプリンター用高温ヘッド１６０は、３Ｄプリンターの駆動装置及び制御装置によって移動しながらプリンティング組成物１を吐出することができる。

シリンジ１００は、図３に示されているように、プリンティング組成物１が収容される収容部１４０と、前記収容部１４０に収容されたプリンティング組成物１が吐出されるノズル部１５０と、を含む。

前記プリンティング組成物１は、熱可塑性高分子を含むことができ、前記熱可塑性高分子は、特に限定されないが、加熱を介して流体のような流動性を有することができる高分子、例えば、ラクチド（ｌａｃｔｉｄｅ）、カプロラクトン（ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ），グリコリド（ｇｌｙｃｏｌｉｄｅ）、ジオキサノン（ｄｉｏｘａｎｏｎｅ）、プロピレン（Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、エチレン（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）、塩化ビニル（ｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ブタジエン（ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリル酸、２－ヒドロキシエチルメタクリレート（２－ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、カーボネート（ｃａｒｂｏｎａｔｅ）及びポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＡＢＳ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＣＬ（ｐｏｌｙｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）、ＡＳＡ（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ－ｓｔｙｒｅｎｅ－ａｃｒｙｌａｔｅ）、ＳＡＮ（ｓｔｙｒｅｎｅ－ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＰＳＦ／ＰＰＳＵ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）、ＰＬＡ（ｐｏｌｙｌａｃｔｉｃ ａｃｉｄ）、ＰＤＬ（ｐｏｌｙ－ｄ－ｌｙｓｉｎｅ）などの３Ｄプリンティングが可能な材料よりなる群から選択された１種以上を含むことができる。

このようなプリンティング組成物１がノズル部１５０を介して吐出されるためには、プリンティング組成物１が流動性のある半固体（ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄ）状態のような流体状態に維持されなければならないが、このためには、プリンティング組成物１の温度が一定温度以上に維持されなければならない。前記ヒーティングブロック１２０は、シリンジ１００の収容部１４０に収容されたプリンティング組成物１が流体のような半固体（ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄ）状態に維持できるように、前記シリンジ１００に熱を伝達する役割を果たす。

前記ヒーティングブロック１２０は、シリンジ１００に収容されたプリンティング組成物１に熱を均一に伝達することができるように、シリンジ１００の外周面に形成されることが好ましく、ヒーティングブロック１２０は、後面部に取り付けられたカートリッジヒーターによって熱の伝達を受けて加熱され、熱伝導度に優れたアルミニウム素材からなることが好ましく、前記カートリッジヒーターは、熱線、熱電対素子或いはペルチェ素子などが含まれることができる。

前記カバー１３０は、ヒーティングブロック１２０によって発生した熱が外部へ伝達されるのを遮断することにより、相対的に低温で運転される他の３Ｄプリンターヘッドに結露が発生することを防止するためのものであり、熱伝導度が非常に低く、同時に高温にも耐える耐熱性に優れた素材を使用することが好ましい。

このようなカバー１３０として使用される素材は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリイミド（ＰＩ、Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ、ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎ ｓｕｌｆｉｄｅ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ、ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）などの耐熱エンジニアリングプラスチック又はセラミックなどよりなる群から選択される１種以上を含むことができ、好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）であり得る。

ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）は、耐熱性と加工性に優れるうえ、熱伝導度が約０．２５Ｗ／ｍｋと非常に低いため、ヒーティングブロック１２０により発生した熱が外部へ伝達されることを防止するのに適する。

前記カバー１３０は、図３に示すように、前記ヒーティングブロック１２０が収容されるメインカバー１３１と、前記メインカバー１３１の上端に結合され、前記ヒーティングブロック１２０の上端を包み込む上部カバー１３２と、前記メインカバー１３１の下端に結合され、前記ヒーティングブロック１２０の下端を包み込む下部カバー１３３と、を含むことができる。このように、カバー１３０が分離型に形成されることにより、カバー１３０の加工を容易にし、且つ加工コストを下げることができる。

分離型カバー１３０の場合、上部カバー１３２は、上部カバー１３２の外側に形成された第１結合孔１３４、及び上部カバー１３２の中心に形成され、前記シリンジ１００が貫通しうる第１貫通孔１３５を含むことができる。メインカバー１３１と上部カバー１３２とは、前記第１結合孔１３４を介して螺合などで結合されるか、或いは高温で使用可能なエポキシ樹脂などの接着剤を介して結合されることができる。また、下部カバー１３３は、前記下部カバー１３３の外側に形成された第２結合孔１３６、及び前記下部カバー１３３の中心に形成され、前記シリンジ１００が貫通しうる第２貫通ホール１３７を含むことができる。メインカバー１３１と下部カバー１３３も、上部カバー１３２と同様に前記第２結合孔１３６を介して螺合などで結合されるか、或いは高温で使用可能な樹脂などの接着剤を介して結合されることができる。このとき、螺合が使用される場合、使用されるねじは、断熱効果を極大化するために、カバー１３０と同じ素材で製作されたねじを使用することが好ましい。

前記カバー１３０の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１～１０ｍｍの範囲で使用でき、少なくとも１ｍｍよりも大きいほど断熱性能の側面で有利であるが、ヘッドの精巧な動きを考慮するとき、１０ｍｍを超える場合には、印刷物の精度を阻害することができる。

また、前記カバー１３０は、図３に示すように、前記下部カバー１３３から延びて前記ヒーティングブロック１２０とノズル部１５０との間に形成されたノズルカバー１３８をさらに含むことができるが、前記ノズルカバー１３８は、ノズル部１５０の熱が外部へ伝達されるのを遮断してノズル部１５０の内部の温度を一定に維持させ、ノズル部１５０に結露が発生することを防止することができる。

カバー１３０を構成する、メインカバー１３１、上部カバー１３２、下部カバー１３３及びノズルカバー１３８は、必要に応じて、保温効果に優れた空気層を活用することができるように中空構造体の形態で構成できる。

また、本発明のマルチ３Ｄプリンターヘッドは、このような高温ヘッド１６０と共に、図５に提示された低温ヘッド１７０を含むことができる。このような３Ｄプリンティング用低温ヘッド１７０は、図５に示すように、ヒドロゲルが収容され、下部のノズル部から吐出されるシリンジ１０１を含み、さらにヘッドの表面に発生する結露を吸収することが可能な吸湿部１４１をさらに含むことができる。

前記ヒドロゲル（ｈｙｒｏｇｅｌ）は、アルジネート（ａｌｇｉｎａｔｅ）、フィブリノゲン（ｆｉｂｒｉｎｏｇｅｎ）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヘパラン硫酸（ｈｅｐａｒａｎ ｓｕｌｆａｔｅ）、ヒアルロン酸（ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、コラーゲン（ｃｏｌｌａｇｅｎ）及びデキストラン（ｄｅｘｔｒａｎ）よりなる群から選択される１種以上を含むことができる。

前記吸湿部１４１は、吸湿性物質を低温ヘッド１７０のシリンジ１０１の外面にコーティングするか、或いは着脱可能な形態で形成でき、水分が凝縮して形成された結露を吸収して３Ｄプリンティング中の印刷物に結露が落ちることを防止する。

前記吸湿部１４１に含まれる吸湿性物質としては、シリカゲル（ｓｌｉｃａ ｇｅｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、ゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）等が使用されるか、或いは吸収性に優れたウール（ｗｏｏｌ）又は綿（ｃｏｔｔｏｎ）素材などが使用されることができ、このような吸湿部１４１がシリンジ１０１の外周部に着脱可能な形態で結合される場合には、磁石、面ファスナー又はボルト固定式で前記シリンジ１０１の外周面に付着することが好ましいが、複数の吸湿部１４１をシリンジ１０１の外周面に付着させることも可能である。

本発明によるマルチ３Ｄプリンターヘッドは、高温ヘッド１６０と低温ヘッド１７０を同時に含むことができ、このようなマルチヘッド構造を有する３Ｄプリンター及び３Ｄプリンティングシステムに効果的に適用でき、それぞれのヘッドの温度差による結露の発生を効果的に防止し、３Ｄプリンティング構造物の汚染を最小限に抑えることができるため、生体組織を３Ｄプリントするバイオ３Ｄプリンティングシステムにさらに有用である。

［実施例］
プリンティング組成物を吐出するシリンジの外周面にヒーティングブロックを形成した後、ポリエーテルエーテルケトン（ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ）で前記ヒーティングブロックを包み込むようにカバーを３ｍｍの厚さに形成して３Ｄプリンター用高温ヘッドを構成した。

［比較例］
プリンティング組成物を吐出するシリンジの外周面にヒーティングブロックを形成した後、別途のカバーが備えられていない３Ｄプリンター用高温ヘッドを製造した。

［実験例１：断熱性能の測定］
本発明の３Ｄプリンターヘッドの断熱性能を測定するために、実施例及び比較例のヒーティングブロックの温度を１００℃に設定した後、１時間の間、実施例のカバーの表面温度及び比較例のヒーティングブロックの表面温度を測定して、その結果を図６に示す。

図６の結果を参照すると、比較例の場合には、初期２３．８℃から１０分間１０３．９℃まで上昇した後、この温度が一定に維持された。これに対し、実施例の場合には、初期２４．７℃から１０分間８１．９℃まで上昇した後、この温度が一定に維持されることからみて、カバーを含む実施例の場合、約２０℃の断熱効果があることを確認することができた。

図７は本発明の別の実施例によるクリーンベンチシステムの斜視図であり、図８は本発明の一実施例によるクリーンベンチシステムの内部を例示として示す図である。

図７及び図８を参照して説明すると、本発明のクリーンベンチシステムは、ハウジング３１０と、前記ハウジング３１０の上部に形成され、ハウジング３１０の内部に空気を供給する空気供給ユニット３２０と、前記ハウジング３１０の内部に備えられる駆動装置である３Ｄプリンター３３０と、前記３Ｄプリンター３３０を覆うように形成された気流ガイド３４０と、前記ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３と、を含む。

前記ハウジング３１０は、クリーンベンチ内にクリーンエリアを提供するためのもので、内部に３Ｄプリンター３３０などの駆動装置が収容できる。駆動装置の例として３Ｄプリンターを挙げて説明したが、クリーンベンチ内へ機械的な動きのある全ての駆動機械装置が特別な制限なく含まれることができるが、３Ｄプリンター、自動ピペット装置、攪拌機、培養器などの各種実験装置が含まれ、さらに好ましくは、精密に印刷結果物の形態及び構造を制御することができる３Ｄプリンターが含まれることができる。

このようなハウジング３１０は、スチール（ｓｔｅｅｌ）、ステンレススチール（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）、アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ）、チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ）などの様々な金属材料で形成でき、ハウジング３１０の形状は、このような駆動装置を取り囲むことができる形状であれば特に限定されない。例えば、前記ハウジング３１０の形状は、円柱、立方体又は直方体などであってもよい。

前記ハウジング３１０には、内部を肉眼で確認することができる透明窓３１１が形成できるが、このような透明窓３１１を介して、ハウジング３１０の内部に設置される駆動装置である３Ｄプリンター３３０を確認するか、或いは駆動装置である３Ｄプリンター３３０の動作状態などを確認することができる。前記透明窓３１１は、透明な材質であるガラス或いはプラスチックなどの材質で形成できる。

空気供給ユニット３２０は、ハウジング３１０の内部へ空気を供給するためのもので、前記ハウジング３１０の上部に形成され、前記空気供給ユニット３２０を介して供給された空気は、ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３を介してハウジング３１０の外部へ排出される。このような方式で、本発明のクリーンベンチシステムは、駆動装置である３Ｄプリンター３３０を横切るように空気の流れを一方向（すなわち、ハウジングの上方から下方向の垂直方向に）に誘導することができる。

前記空気供給ユニット３２０は、ハウジング３１０の外部の空気を吸入する吸入口３２５と、前記吸入口３２５から吸入された空気をハウジング３１０の内部へ供給する供給口３２１と、前記供給口３２１に設置されたフィルター３２３と、を含む。

前記フィルター３２３としては、ヘパフィルター（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ ｆｉｌｔｅｒ、ＨＥＰＡ Ｆｉｌｔｅｒ）又はプレフィルター（Ｐｒｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が使用でき、好ましくは、９５～９９．９％の効率を有するクラスＥＵ１０のヘパフィルター（ＨＥＰＡ Ｆｉｌｔｅｒ）、さらに好ましくは、９９．９９９９９５％の効率を有するクラスＵ１７のヘパフィルターであり得る。このようなフィルター３２３を介してハウジング３１０の外部の空気を濾過してハウジング３１０の内部へ供給することにより、ハウジング３１０の内部の環境を清浄に維持させることができる。

代表的な駆動装置である３Ｄプリンター３３０は、クリーン環境が維持される空間であるハウジング３１０の内部に備えられることができるが、このような駆動装置は、ハウジング３１０と一体に形成されるか或いは着脱可能に別途形成されることができる。

前記３Ｄプリンター３３０は、図９に示すように、プリンティング組成物１を吐出するプリンターヘッド３と、吐出されたプリンティング組成物１が積層される支持板２００と、前記プリンターヘッド３を移動させるヘッド移動ユニット４と、前記ヘッド移動ユニット４の移動をガイドするステージ５と、を含むことができる。

前記プリンターヘッド３は、ヘッド移動ユニット４によってステージ５に沿って移動しながらプリンティング組成物１を吐出して３次元構造物をプリントする。このとき、空気圧によってプリンターヘッド３から支持板２００へプリンティング組成物１が吐出されることができ、吐出されるプリンティング組成物１の吐出量及び吐出速度は、プリンティング組成物１の濃度、プリンターヘッド３のノズルの直径に応じて空気圧を適切に制御することにより調節できる。

前記プリンティング組成物１は、熱可塑性高分子、ヒドロゲル又はこれらの混合物を含むことができ、必要に応じては、前記熱可塑性高分子又はヒドロゲルに細胞がさらに含まれることができる。

前記熱可塑性高分子は、特に限定されないが、例えば、ラクチド（ｌａｃｔｉｄｅ）、カプロラクトン（ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）、グリコリド（ｇｌｙｃｏｌｉｄｅ）、ジオキサノン（ｄｉｏｘａｎｏｎｅ）、プロピレン（Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、エチレン（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）、塩化ビニル（ｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ブタジエン（ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリル酸、２－ヒドロキシエチルメタクリレート（２－ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、カーボネート（ｃａｒｂｏｎａｔｅ）及びポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）よりなる群から選択された１種以上を含むことができる。

前記ヒドロゲル（ｈｙｒｏｇｅｌ）は、アルジネート（ａｌｇｉｎａｔｅ）、フィブリノゲン（ｆｉｂｒｉｎｏｇｅｎ）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヘパラン硫酸（ｈｅｐａｒａｎ ｓｕｌｆａｔｅ）、ヒアルロン酸（ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、コラーゲン（ｃｏｌｌａｇｅｎ）、及びデキストラン（ｄｅｘｔｒａｎ）よりなる群から選択されるいずれか１種を含むことができる。

図１０は本発明の別の実施例による３Ｄプリンター３３０と結合された気流ガイド３４０の斜視図であり、図１１は本発明の別の実施例による３Ｄプリンター３３０と結合された気流ガイドの背面図である。

図１０及び図１１を参照して説明すると、気流ガイド３４０は、３Ｄプリンター３３０により発生するハウジング３１０内の空気の逆流を防止するだけでなく、空気供給ユニット３２０を介して駆動装置としての３Ｄプリンター３３０の外部へ供給される空気の流れである空気流を制御するためのものであり、３Ｄプリンター３３０を覆う構造で形成されることが好ましい。

具体的には、前記気流ガイド３４０は、３Ｄプリンター３３０のプリンターヘッド３及びヘッド移動ユニット４を覆うことができるように形成され、必要に応じて、３Ｄプリンター３３０のステージ５を覆うステージカバー３４３、或いは３Ｄプリンター３３０のケーブルを覆うケーブルカバー３４５をさらに含むことができる。このとき、前記ケーブルカバー３４５は、気流ガイド３４０の前後移動に応じてレール構造等を介してスライドされるように形成されることも可能である（図１１参照）。

図１２に示すように、気流ガイド３４０を構成する面が気流の流入方向に対して９０度以下の角度をなすように形成できるが、それぞれの面と気流とがなす角度（例えばＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を図面に示したが、これらのみに限定されるものではない）が下方向に９０°以下の角度で形成されることが好ましい。

さらに好ましくは、前記気流ガイド３４０を構成する面が水平面ではなく、傾斜面のみで構成され、気流とそれぞれの傾斜面とがなす角度（図１２のＰ１、Ｐ２、Ｐ３）が９０°以下の角度で形成されることがよく、さらに好ましくは、気流と傾斜面が９０°未満の角度を持つように形成されることがよい。気流ガイド３４０の構造、形態及び大きさを考慮すると、これらの角度が約４０～４５°の範囲に設定されることができる。

このような構造で気流ガイド３４０が形成されることにより、空気供給ユニット３２０を介してハウジング３１０の上部から供給される空気の流れである気流は、ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３の方向に効果的に誘導されることができ、ハウジング３１０内の微粒子が一定の領域で停滞して停滞領域が形成されるのが効果的に防止されることができる。

以上のように、気流ガイド３４０が駆動装置としての３Ｄプリンターを包み込む構造と形態を中心に説明したが、駆動装置がこのような３Ｄプリンターのみに限定されるのではないことを明らかにしておき、このような気流ガイド３４０は、クリーンベンチ内で固定されて駆動装置を包み込むことができ、必要に応じて気流ガイド３４０がレールなどの補助手段によって移動することも可能である。

ハウジング３１０の内部には別途のＵＶ光源が備えられることができる。紫外線は、殺菌能力があるため、ハウジング３１０の内部に別途のＵＶ光源が備えられ、３Ｄプリンターを包み込む気流ガイド３４０の外部領域に紫外線が照射されることにより、無菌環境で駆動装置の作動（例えば、３Ｄプリンティング工程）が行われることができる。このようなＵＶ光源は、ハウジング３１０の内部全体領域に紫外線が均一に照射できるように、空気供給ユニット３２０の下端に形成されることが好ましい。

また、本発明のクリーンベンチシステムは、図８に示されているように、温度又は湿度が調節された空気を前記空気供給ユニット３２０へ供給する温湿度調節部３５０をさらに含むことができる。このような温湿度調節部３５０は、空気が流入する流入口３５３、及び空気が排出される排出口３５５を有するケース３５１と；前記ケース３５１の内部に備えられ、ケース３５１の内部の空気を冷却或いは加熱する温度調節手段と；前記ケース３５１の内部に備えられ、ケース３５１の内部を除湿又は加湿する湿度調節手段と；を含む。

前記流入口３５３は、ハウジング３１０の通気口３１３に連結され、ハウジング３１０から排出される空気が温湿度調節部３５０に流入し、前記排出口３５５は、空気供給ユニット３２０の吸入口３２５に連結され、温度及び湿度が調節された空気がハウジング３１０の内部へ供給されることが好ましい。

このように温度及び湿度が一定に調節された空気をハウジング３１０内に持続的に循環させることにより、ハウジング３１０の内部の温度及び湿度を一定に維持させることができる。

一方、本発明の他の実施例によるクリーンベンチ運転方法は、前述したクリーンベンチを使用する方法に関するものであり、温湿度調節部３５０を介して温度及び湿度が調節された空気を空気供給ユニット３２０へ供給する温湿度調節ステップと、前記空気供給ユニット３２０に供給された空気をフィルター３２３で濾過してハウジング３１０の内部へ供給する空気供給ステップと、前記ハウジング３１０の内部に供給された空気を、ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３を介して排出する空気排出ステップと、を含み、前記ハウジング３１０の内部に位置する駆動装置を覆うように形成された気流ガイド３４０を介して、前記空気供給ユニット３２０によって供給される空気の気流を制御する。

このような空気気流の制御方式と原理は、既に前述したので、そのついての詳細な説明は省略する。

前記温湿度調節ステップは、ケース３５１の内部に備えられた温度調節手段及び湿度調節手段を用いてケース３５１の内部空気の温度及び湿度を調節した後、温度及び湿度が調節された空気を排出口３５５を介して空気供給ユニット３２０の吸入口３２５へ排出して空気供給ユニット３２０へ供給する。

空気供給ユニット３２０に供給された空気は、空気供給口３２１に設置されたフィルター３２３を介して濾過され、ハウジング３１０の内部へ供給されることにより、前記空気供給ステップが行われる。前記フィルター３２３は、ヘパフィルター（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ ｆｉｌｔｅｒ、ＨＥＰＡ Ｆｉｌｔｅｒ）或いはプレフィルター（Ｐｒｅ Ｆｉｌｔｅｒ）、好ましくは、９５～９９．９％の効率を有するクラスＥＵ１０のヘパフィルター（ＨＥＰＡ Ｆｉｌｔｅｒ）、さらに好ましくは、９９．９９９９９５％の効率を有するクラスＵ１７のヘパフィルターであり得る。

前記空気供給ステップを介して、ハウジング３１０の内部は、温度及び湿度が調節されたクリーンな空気で充填され、生物学的に安定かつクリーンな環境を提供する。

このようにクリーンな環境が備えられたハウジング３１０の内部に駆動装置として３Ｄプリンターが備えられる場合には、ハウジング３１０の内部に備えられた３Ｄプリンター３３０のプリンターヘッド３を介してプリンティング組成物１を吐出する吐出ステップが行われることができる。プリンターヘッド３から吐出されたプリンティング組成物１は、支持板２００に積層されて３次元構造物を形成する。

このとき、３Ｄプリンター３３０は、前記３Ｄプリンター３３０を覆うように形成される気流ガイド３４０と結合されることが好ましい。３Ｄプリンター３３０と気流ガイド３４０とが結合されることにより、空気供給ユニット３２０を介してハウジング３１０の上部へ供給される空気の流れを、ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３の方向に円滑にして、ハウジング３１０の内部の微粒子が一定領域に停滞する停滞区域が形成されることを防止する。

前記プリンティング組成物１は、熱可塑性高分子、ヒドロゲル又はこれらの混合物を含むことができ、必要に応じては、前記熱可塑性高分子又はヒドロゲルに細胞を添加することもできる。

前記熱可塑性高分子としては、特に限定されないが、例えば、ラクチド（ｌａｃｔｉｄｅ）、カプロラクトン（ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）、グリコリド（ｇｌｙｃｏｌｉｄｅ）、ジオキサノン（ｄｉｏｘａｎｏｎｅ）、プロピレン（Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、エチレン（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）、塩化ビニル（ｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ブタジエン（ｂｕｔａｄｉｅｎｅ）、メチルメタクリレート（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アクリル酸、２－ヒドロキシエチルメタクリレート（２－ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、カーボネート（ｃａｒｂｏｎａｔｅ）及びポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）よりなる群から選択された１種以上を含むことができ、前記ヒドロゲル（ｈｙｒｏｇｅｌ）としては、アルジネート（ａｌｇｉｎａｔｅ）、フィブリノゲン（ｆｉｂｒｉｎｏｇｅｎ）、カルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヘパラン硫酸（ｈｅｐａｒａｎ ｓｕｌｆａｔｅ）、ヒアルロン酸（ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、コラーゲン（ｃｏｌｌａｇｅｎ）、及びデキストラン（ｄｅｘｔｒａｎ）よりなる群から選択される１種以上を含むことができる。

このように高分子、ヒドロゲル又はこれらの混合物をプリンティング組成物１として用いて３Ｄプリンター３３０を介してバイオ３Ｄプリンティング工程が行われる場合、本発明によるクリーンベンチシステムは、物理化学的汚染源だけでなく、生物学的汚染源を効果的に除去することができるため、さらに有用であり得る。

前記空気排出ステップは、ハウジング３１０の内部に供給された空気が、ハウジング３１０の下部に形成された通気口３１３を介して排出されるステップであり、通気口３１３は温度調節部３５０の流入口３５３に連結され、排出された空気は温度調節部３５０に流入することが好ましい。

本発明の別の実施形態によるバイオインク供給システムを図１３を参照して説明すると、ヒドロゲル貯蔵部１１００と、細胞貯蔵部１２００と、ヒドロゲル貯蔵部１１００及び細胞貯蔵部１２００からヒドロゲルと細胞の供給を受ける混合部１３００と、シリンジ１４００内のバイオインクの水位を測定するセンサー部１５００と、センサー部１５００から信号を受けてシリンジ１４００内のバイオインクの水位を一定に維持させる制御部１６００と、を含むことができる。

ヒドロゲル貯蔵部１１００は、物性の変化なしにヒドロゲルを保管するためのものであり、外部と遮断された構造であることが好ましい。前記ヒドロゲルは、アルジネート、フィブリノゲン、カルボキシメチルセルロース、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、コラーゲン、デキストランなどの天然高分子物質を含むことができるが、これらに限定されない。コラーゲン又はアルジネートをはじめとするヒドロゲルは、水分含有量が高く、生体適合性に優れるため、バイオインクとしての使用に適する。

物性の変化なしにヒドロゲルを保管するために、ヒドロゲル貯蔵部１１００は、温度調節手段及びｐＨ調節手段を含むことができる。温度調節手段は、輻射加熱器、対流加熱器、伝導性加熱器などの加熱部材と、輻射冷却器、対流冷却器、ファン冷却器などの冷却部材とで構成でき、ヒドロゲル貯蔵部１１００の内部をヒドロゲルのゲル化が発生しない温度に維持させることができる。具体的には、ヒドロゲルがコラーゲンである場合、温度調節手段を介して、ヒドロゲル貯蔵部１１００の内部を１５℃以下の温度に維持させることが好ましい。

また、ヒドロゲル貯蔵部１１００のｐＨ調節手段は、ヒドロゲル貯蔵部１１００の内部に備えられたｐＨ変化を感知するｐＨセンサー、及び該センサーから信号を受けて塩基性溶液をヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）貯蔵部１１００の内部に注入する自動注入器で構成できる。ｐＨセンサーは、ヒドロゲル貯蔵部１１００に保管されているヒドロゲルのｐＨを測定し、ｐＨの変化に応じて塩基性溶液の注入量を決定して自動注入器へ信号を送って適量の塩基性溶液を注入することにより、ヒドロゲル貯蔵部１１００内のｐＨを、ヒドロゲルのゲル化が起こらないｐＨ範囲に維持させることができる。

このようなヒドロゲル貯留部１１００は、混合部１３００と管を介して連結されており、ヒドロゲル貯蔵部１１００に保管されたヒドロゲルは、ポンプなどを介して混合部１３００へ供給される。

細胞貯蔵部１２００は、生きている細胞が含まれた細胞溶液を保管するためのものであり、外部と遮断された構造であることが好ましい。細胞生存のための条件とヒドロゲルのゲル化が起こらない条件とが異なるので、生きている細胞が含まれた細胞溶液を長時間保管するためには、細胞溶液はヒドロゲルとは別に保管されなければならない。

生きている細胞が含まれた細胞溶液を保管するために、細胞貯蔵部１２００は、細胞貯蔵部１２００内部の温度、ｐＨ及びＣＯ_２濃度を一定に維持させる調節器を含むことができる。このような調節器は、一般に使用される細胞培養用インキュベーターの調節器であり得るが、これに限定されるものではない。

細胞貯蔵部１２００の内部は、細胞生存のために温度、ｐＨ及びＣＯ_２濃度が一定条件に維持されることができ、具体的には３７℃、ｐＨ７～７．５及び５％ＣＯ_２の条件に維持されることが好ましい。

このような細胞貯蔵部１２００は、混合部３００と管を介して連結されており、細胞貯蔵部１２００に保管された細胞溶液は、ポンプ等を介して混合部１３００へ供給される。

細胞貯蔵部１２００内で細胞が沈殿する現象を防止するために、細胞貯蔵部１２００は、攪拌手段を含むことができる。このような攪拌手段としては、磁気撹拌機（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｒｒｅｒ）又はスクリュータイプのインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）を使用することができる。このように攪拌手段を使用する場合には、細胞が沈殿することを防止し、細胞溶液内の細胞の濃度を均一に維持することができるため、一定の細胞濃度を有する細胞溶液を混合部１３００へ供給することができる。
前記細胞は、バイオプリンティングしようとする人工組織の種類に応じて幹細胞、線維芽細胞、肝細胞などの多様な細胞であり得る。

混合部１３００は、ヒドロゲル貯蔵部１１００及び細胞貯蔵部１２００からそれぞれヒドロゲルと細胞溶液の供給を受けて混合させるためのものであり、混合手段１３１０を含むことができる。ヒドロゲルと細胞溶液とが混合されてバイオインクが製造され、前記バイオインクはシリンジ１４００へ供給される。混合手段１３１０は、相対的に高粘度のヒドロゲルと低粘度の細胞溶液とを均一に混合させることができる混合手段１３１０であることが好ましい。

本発明の一実施例による混合手段１３１０としては、別途の動力によって回転するインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）を使用することができる。別途の動力としてはモーターなどが使用でき、モーターが混合部１３００の内部のインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）と連動してモーターによってインペラーが強く回転することにより、ヒドロゲルと細胞溶液とを効果的に混合させることができる。

また、本発明の他の実施例による混合手段としては、磁気撹拌機（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｒｒｅｒ）を使用することができる。混合部１３００内の攪拌機を、混合部の外部に配置された磁石を介して回転させ、ヒドロゲルと細胞溶液とを混合させる。磁気撹拌機を用いる場合には、混合部１３００内部のヒドロゲルと細胞溶液とを機械的な接触なしに混合することができるため、ヒドロゲルと細胞溶液の変性を防止することができるという利点がある。

このような混合部１３００は、シリンジ１４００と管を介して連結されており、混合部１３００で混合されて製造されたバイオインクは、ポンプ１３２０などを介してシリンジ１４００へ供給される。

本発明の一実施例によるバイオインク供給システムは、シリンジ１４００内のバイオインクの水位を測定するセンサー部１５００、及び該センサー部１５００から信号を受けてシリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持させる制御部１６００を含むことができる。

センサー部１５００は、シリンジ１４００に供給されたバイオインクの水位を測定し、測定値を制御部１６００へ送信する。制御部１６００は、設定された基準値と測定値とを対比して、バイオインクをシリンジ１４００へ供給するポンプ１３２０を作動又は停止させることにより、シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持する。具体的には、制御部１６００は、測定値が基準値以下である場合には、シリンジ１４００からバイオインクが吐出されるのと同時にポンプ１３２０を作動させてバイオインクを供給するか、或いはシリンジ１４００からバイオインクが吐出されることを停止させ、ポンプ１３２０を作動させてバイオインクを供給する。また、制御部１６００は、測定値が基準値以上である場合、ポンプ１３２０を停止させてバイオインクの供給を中断することにより、シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持させる。

シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持する場合、バイオプリンティングを行う過程で、シリンジ１４００を介して吐出されるバイオインクの量を一定に維持することができるため、精密なバイオプリンティングを行うことができるという利点がある。

センサー部１５００は、図１３に示されているようなレーザセンサー、又は図１４に示されているようなストレッチセンサー（ｓｔｒｅｔｃｈ ｓｅｓｎｓｏｒ）を含むことができる。

ストレッチセンサー１５１０は、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）な伝導性ゴム材質で長さの伸縮に応じて電気抵抗値が変わるセンサーであり、図１４に示すように、ストレッチセンサー１５１０の両端は、シリンジ１４００の内側上端に形成されたセンサーケーブル１５２０と連結されることができる。前記ストレッチセンサー１５１０にはキャップ１５３０が連結されており、シリンジ１４００内のバイオインクの水位に応じてキャップ１５３０が上昇又は下降することで、ストレッチセンサー１５１０を伸縮させて変化する電気抵抗値を介してシリンジ１４００内部のバイオインクの水位を測定することができる。

このようにストレッチセンサー１５１０を使用する場合には、キャップ１５３０を介して空気圧集中現象を防止することができ、ストレッチセンサー１５１０がバイオインクに接触しないため、バイオインクの物性が変わるのを防止することができるという利点がある。

本発明の一実施例によるバイオインク供給システムは、図１５に示すように、シリンジ１４０１、１４０２、１４０３を介してバイオインクを支持台１７１０上に吐出する出力方式の３Ｄバイオプリンター１７００に適用できる。ヒドロゲル貯蔵部１１００、細胞貯蔵部１２００及び混合部１３００がヘッド移動ユニット１７２０に形成され、１つの混合部１３００からそれぞれのシリンジ４０１、４０２、４０３にバイオインクが供給されることができる。

図１６は本発明の他の実施例によるバイオインク供給システムを適用した３Ｄバイオプリンター１７０１の斜視図である。図１６を参照して説明すると、シリンジ１４０１、１４０２、１４０３ごとに、それぞれのヒドロゲル貯蔵部１１０１、１１０２、１１０３、細胞貯蔵部１２０１、１２０２、１２０３及び混合部１３０１、１３０２、１３０３がヘッド移動ユニット１７２０に形成されることができる。このような実施例の場合、それぞれのシリンジ１４０１、１４０２、１４０３ごとに異なる種類のバイオインクを供給することができるという利点がある。

図１７は本発明の別の実施例によるバイオインク供給システムを適用した３Ｄバイオプリンターの斜視図であり、ヒドロゲル貯蔵部１１０４、１１０５、１１０６及び細胞貯蔵部１２０４、１２０５、１２０６が、ヘッド移動ユニット１７２０とは別途に形成できる。それぞれの混合部１３０４、１３０５、１３０６は、別途に形成されたヒドロゲル貯蔵部１１０４、１１０５、１１０６及び細胞貯蔵部１２０４、１２０５、１２０６からヒドロゲルと細胞溶液の供給を受けることができる。このように、ヒドロゲル貯蔵部１１０４、１１０５、１１０６及び細胞貯蔵部１２０４、１２０５、１２０６がヘッド移動ユニット１７２０とは別に形成された実施例の場合、ヒドロゲル貯蔵部１１０４、１１０５、１１０６及び細胞貯蔵部１２０４、１２０５、１２０６の容量を大きく形成することができるため、より多量のバイオインクをシリンジ１４０１、１４０２、１４０３に連続的に供給することができるという利点がある。

本発明の別の実施形態として、前述したバイオインク供給システムを用いた３Ｄバイオプリンティング方法が挙げられるが、本発明による３Ｄバイオプリンティング方法は、ヒドロゲルをヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）貯蔵部１１００に保管するステップと、細胞溶液を細胞貯蔵部１２００に保管するステップと、ヒドロゲル貯蔵部１１００及び細胞貯蔵部１２００からヒドロゲルと細胞溶液を混合部１３００に供給するステップと、混合部１３００でヒドロゲルと細胞溶液とを混合してシリンジ１４００へ供給するステップと、シリンジ１４００内のバイオインクの水位を一定に維持するステップと、を含む。

ヒドロゲルをヒドロゲル貯蔵部１１００に保管するステップのヒドロゲルは、アルジネート、フィブリノゲン、カルボキシルメチルセルロース、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、コラーゲン、デキストランなどの天然高分子物質を含むことができるが、必ずしもこれに限定されない。

ヒドロゲルがコラーゲンである場合、ヒドロゲルをヒドロゲル貯蔵部１１００に保管するステップは、１０～１５℃、ｐＨ５～６の条件で行われることが好ましい。上記の条件を外れる場合、コラーゲンのゲル化が起こり、３Ｄバイオプリンティングに使用できなくなる。

細胞溶液を細胞貯蔵部１２００に保管するステップは、細胞溶液に含まれた細胞が生存し得るように５％ＣＯ_２、３７℃及びｐＨ７～７．５の条件で行われることが好ましい。

また、細胞溶液を細胞貯蔵部１２００に保管するステップは、細胞が沈殿する現象を防止するために、細胞溶液を攪拌するステップを含むことができる。細胞溶液を撹拌するための手段としては、磁気撹拌機（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｒｒｅｒ）又はスクリュータイプのインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）が使用できる。

混合部１３００でヒドロゲルと細胞溶液とを混合してシリンジ１４００へ供給するステップでは、ヒドロゲルと細胞溶液とが混合されてバイオインクが製造され、前記バイオインクは、シリンジ１４００へ供給される。混合手段１３１０としては、前述したインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）又は磁気撹拌機（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｉｒｒｅｒ）が使用できる。

シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持するステップは、センサー部１５００を介してバイオインクの水位を測定し、測定値に応じて混合部１３００からシリンジ１４００へ供給されるバイオインクの量を調節することにより行われることができる。前記センサー部１５００としては、前述したレーザセンサー又はストレッチセンサーなどが使用できるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

センサー部１５００を介して測定された測定値が基準値以下である場合には、シリンジ１４００からバイオインクが吐出されるのと同時にバイオインクを供給するか、或いはシリンジ１４００からバイオインクが吐出されることを停止させてバイオインクを供給し、測定値が基準値以上である場合には、バイオインクの供給を中断することにより、シリンジ１４００内部のバイオインクの水位を一定に維持することができる。

実験例２：バイオインクの水位によるプリンティング結果物の測定
空気圧やシリンジの移動速度などの条件を同一にして３Ｄバイオプリンティングを行うが、シリンジ内のバイオインクの水位のみを異にして、シリンジから吐出されたバイオインクの吐出量を測定し、その結果値を表１に示した。

表１の結果から確認されるように、シリンジ内のバイオインクの水位が０．５ｍｌである場合は、バイオインクの水位が２．０ｍｌである場合に比べて約１７％さらに多い量が吐出される。これは、シリンジ内のバイオインクの水位に応じて、バイオプリンティングの際にシリンジを介して吐出されるバイオインクの量が変わることを意味する。これにより、精密なバイオプリンティングのためには、シリンジ内のバイオインクの水位が一定に維持されなければならないことが分かる。

以上、本発明の詳細な説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形が可能であり、それぞれの実施例が有機的に多様な組み合わせで結合されて実施され得るのは、本発明の属する分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。

本発明は、３Ｄバイオプリンティング中にも活性のあるバイオインクをバイオプリンターのシリンジに連続的に供給することができるバイオインク供給システム及びそれを用いた３Ｄバイオプリンティング方法を提供するためのものであり、活性のあるバイオインクを連続的にバイオプリンターのシリンジへ供給することができるため、大型（ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ）の生体組織や多数のオルガノイド（ｏｒｇａｎｏｉｄ）、臓器チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）などを連続的にプリントすることができ、かつ、バイオプリンティング中にもシリンジ内部のバイオインクの水位を一定に維持させることができるため、精密なバイオプリンティングが可能であるという利点があるので、産業上利用可能性が存在する。

１ プリンティング組成物
３ ヘッド
４ ヘッド移動ユニット
５ ステージ
１００ シリンジ
１２０ ヒーティングブロック
１３０ カバー
１３１ メインカバー
１３２ 上部カバー
１３３ 下部カバー
１３４ 第１結合孔
１３５ 第１貫通孔
１３６ 第２結合孔
１３７ 第２貫通孔
１３８ ノズルカバー
１４０ 収容部
１４１ 吸湿部
１５０ ノズル部
１６０ 高温ヘッド
１７０ 低温ヘッド
１８０ 複合ヘッド
３１０ ハウジング
３１１ 透明窓
３１３ 通気口
３２０ 空気供給ユニット
３２１ 空気供給口
３２３ フィルター
３２５ 吸込口
３３０ ３Ｄプリンター
３４０ 気流ガイド
３４３ ステージカバー
３４５ ケーブルカバー
３５０ 温湿度調節部
３５１ ケース
３５３ 流入口
３５５ 排出口
１１００、１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６ ヒドロゲル貯蔵部
１２００、１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１２０５、１２０６ 細胞貯蔵部
１３００、１３０１、１３０２、１３０３、１３０４、１３０５、１３０６ 混合部
１３１０ 混合手段
１３２０ ポンプ
１４００、１４０１、１４０２、１４０３ シリンジ
１５００ センサー部
１５１０ ストレッチセンサー
１５２０ センサーケーブル
１５３０ キャップ
１６００ 制御部
１７００、１７０１、１７０２ ３Ｄバイオプリンター
１７１０ 支持台
１７２０ ヘッド移動ユニット
１７３０ Ｘ軸ステージ

Claims (7)

1. ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）貯蔵部と、
   細胞貯蔵部と、
   ヒドロゲル貯蔵部及び細胞貯蔵部からヒドロゲルと細胞溶液の供給を受けて混合させる混合部と、
   シリンジ内部のバイオインクの水位を測定するセンサー部と、
   センサー部から信号を受けてシリンジ内部のバイオインクの水位を一定に維持させる制御部と、を含み、
   前記細胞貯蔵部は、５％ＣＯ _２ 、３７℃及びｐＨ７～７．５の範囲に維持され、
   前記ヒドロゲル貯蔵部は、１０～１５℃及びｐＨ５～６の範囲に維持され、
   前記混合部は、ヒドロゲルと細胞溶液とを混合して製造したバイオインクをシリンジへ供給し、
   前記シリンジの外周面に、ヒーティングブロック及び前記ヒーティングブロックを包み込むように形成されたカバー、または吸湿部が位置することを特徴とする、
   バイオインク供給システム。
2. 前記ヒドロゲル貯蔵部はｐＨ調節手段を含む、請求項１に記載のバイオインク供給システム。
3. 前記細胞貯蔵部は攪拌手段を含む、請求項１に記載のバイオインク供給システム。
4. 前記混合部は混合手段としてインペラー（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）を含む、請求項１に記載のバイオインク供給システム。
5. 前記センサー部はレーザセンサー又はストレッチセンサーを含む、請求項１に記載のバイオインク供給システム。
6. ヒドロゲルをヒドロゲル貯蔵部に保管するステップと、
   生きている細胞が含まれた細胞溶液を細胞貯蔵部に保管するステップと、
   ヒドロゲル貯蔵部及び細胞貯蔵部からヒドロゲルと細胞溶液を混合部に供給するステップと、
   混合部でヒドロゲルと細胞溶液を混合してシリンジへ供給するステップと、
   シリンジ内部のバイオインクの水位を一定に維持するステップと、を含み、
   前記ヒドロゲルをヒドロゲル貯蔵部に保管するステップは、１０～１５℃及びｐＨ５～６の条件で行われ、
   前記細胞溶液を細胞貯蔵部に保管するステップは、５％ＣＯ _２ 、３７℃及びｐＨ７～７．５の条件で行われ、
   前記シリンジの外周面に、ヒーティングブロック及び前記ヒーティングブロックを包み込むように形成されたカバー、または吸湿部が位置することを特徴とする、
   ３Ｄバイオプリンティング方法。
7. 前記ヒドロゲルは、アルジネート、フィブリノゲン、カルボキシルメチルセルロース、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、コラーゲン又はデキストランを含む、請求項６に記載の３Ｄバイオプリンティング方法。