特表 2024-544097 局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-28

(54)【発明の名称】局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20241121BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20241121BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241121BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241121BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B29C64/118

B33Y10/00

B33Y30/00

B29C64/295

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023568256

(86)(22)【出願日】2022-12-14

(85)【翻訳文提出日】2023-11-06

(86)【国際出願番号】 KR2022020314

(87)【国際公開番号】W WO2024101526

(87)【国際公開日】2024-05-16

(31)【優先権主張番号】10-2022-0150062

(32)【優先日】2022-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517336290

【氏名又は名称】ティーアンドアール バイオファブ カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｔ ＆ Ｒ ＢＩＯＦＡＢ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】５４２ｈｏ，２３７ Ｓａｎｇｉｄａｅｈａｋ－ｒｏ Ｓｉｈｅｕｎｇ－ｓｉ Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ １５０７３ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100087491

【弁理士】

【氏名又は名称】久門 享

(74)【代理人】

【識別番号】100104271

【弁理士】

【氏名又は名称】久門 保子

(72)【発明者】

【氏名】キム インホ

(72)【発明者】

【氏名】ソク ドンウォン

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AP05

4F213AR06

4F213WA25

4F213WB01

4F213WK03

4F213WL02

4F213WL32

4F213WL74

4F213WL85

(57)【要約】

本発明は、プリンティング組成物が吐出されるノズル部周辺を局部的に加熱することになって材料の変形を最小化し、変成を防止するか遅延できる局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドに関し、板状のヘッドフレームと、前記ヘッドフレームの正面に備えられてプリンティング組成物が収容され、下部のノズル部を通じてプリンティング組成物が吐出されるシリンジと、前記シリンジに連結されてノズル部を通じてプリンティング組成物を吐出させることができるようにする圧力供給部と、前記シリンジの下端部外周面に備えられてノズル部周辺を局部的に加熱させる加熱部を含むことを特徴とする。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘッドフレーム；
前記ヘッドフレームに備えられてプリンティング組成物が収容され、下部のノズル部を通じてプリンティング組成物が吐出されるシリンジ；および
前記シリンジの下端部外周面に備えられてノズル部周辺を局部的に加熱させる加熱部；を含む、局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項2】

前記加熱部の上端には、最小加熱領域を確保するためにシリンジ下部と加熱部を覆うことになる加熱部調節プレートをさらに含む、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項3】

前記加熱部調節プレートの上部は加熱部とシリンジ外周面を囲むことになることを特徴とする、請求項２に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項4】

前記加熱部の下端には、最小加熱領域を確保するためにノズル部の外周面を囲むように設置される加熱部調節プレートをさらに含む、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項5】

前記加熱部調節プレートの厚さは加熱部より小さいか同一に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項6】

前記ヘッドフレームの上部正面には、シリンジを固定させることができるようにするシリンジ固定部が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項7】

前記シリンジの中段には、シリンジが過熱されないように高い熱を放出させる放熱部が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項8】

前記プリンティング組成物には熱可塑性高分子が使われることを特徴とする、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項9】

前記加熱部は、シリンジの下端部外周面に備えられるヒーティングブロック；およびヒーティングブロック内部に備えられて熱を伝達してシリンジを加熱させるための複数個のカートリッジヒーター；を含む、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項10】

前記カートリッジヒーターはシリンジを中心に、両側に同一の地点に位置することを特徴とする、請求項９に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【請求項11】

前記加熱部の側部に設置されてシリンジの温度を測定できる温度測定部；をさらに含む、請求項１に記載の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドに関し、より詳細には、プリンティング組成物が吐出されるノズル部周辺を局部的に加熱することになって材料の変形を最小化し、変成を防止するか遅延できる局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

３Ｄプリンティング技術とは、３Ｄプリンタを通じてプリンティング用材料組成物を予め決定さ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通称し。特に、生体適合性のあるプリンティング組成物を使って生体組織を３次元印刷する技術を３Ｄバイオプリンティングと定義している。

【0003】

このような３Ｄバイオプリンティングシステムを使って、オルガノイド（organoid）、臓器類似チップ（organ-on-a-chip）、動物実験代替のための組織および臓器類似体などのように疾病の治癒を助けることができる多くの研究が活発に行われている。

【0004】

３Ｄバイオプリンティングに使われるプリンティング組成物としては、ハイドロゲル（hydrogel）、熱可塑性高分子などを基盤とし、細胞あるいは成長因子（growth factor）等が含まれ得る。

【0005】

このような３Ｄバイオプリンティングシステムを通じてオルガノイド（organoid）、臓器類似チップ（organ-on-a-chip）、動物実験代替のための組織および臓器類似体などの３次元構造物を製造する時、多くの場合、ハイ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と熱可塑性高分子組成物を共に吐出するか印刷できる多重ヘッドを使うことになる。

【0006】

ハイドロゲル（hydrogel）、熱可塑性高分子などを基盤とするプリンティング組成物を使って３Ｄプリンティングをするためには、前記プリンティング組成物が３Ｄプリンタヘッド内で吐出され得るように流動性のある液体状態（liquid phase）で維持されなければならない。

【0007】

このような熱可塑性高分子を含むプリンティング組成物は、３Ｄプリンタのヘッド内で流動性のある液体状態（liquid phase）である半固体状態で維持され得るように、吐出あるいは印刷する３Ｄプリンタヘッドの内部で、高温で維持されなければならないが、この時、外部との温度差によって３Ｄプリンタヘッドの表面またはヘッド周辺部で外部の空気中に含まれた水分が凝縮されて結露が発生することになる。

【0008】

また、３Ｄプリンティング技術を利用して熱可塑性合成高分子材料をプリンティングする時、材料が入れられたシリンジ（Syringe）を十分に加熱して溶融させた後、プリンティングを進行することになる。この時、長時間材料を加熱する場合、高くて持続的な熱エネルギーによって合成高分子材料の分子間結合が切れることになり、これによって材料の物性変化（粘度変化、分子量減少等）が発生することになる。このような物性変化は、材料吐出量の差による不良品が発生して材料の吐出が円滑になされない問題が発生する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】大韓民国登録特許公報第１０－１７９５５５９号

【特許文献2】大韓民国登録特許公報第１０－１９７５２００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

したがって、本発明は前記の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、シリンジ全体を加熱せずに材料の吐出部周辺を局部的に加熱することによって、材料が短い時間熱に露出して材料の変形を防止できる局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記の目的を達成するための本発明の実施例に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドは、板状のヘッドフレームと、前記ヘッドフレームに備えられてプリンティング組成物が収容され、下部のノズル部を通じてプリンティング組成物が吐出されるシリンジと、前記シリンジの下端部外周面に備えられてノズル部周辺を局部的に加熱させる加熱部を含むことができる。

【0012】

前記加熱部の上端には、最小加熱領域を確保するためにシリンジ下部と加熱部を覆うことになる加熱部調節プレートをさらに含むことができる。

【0013】

前記加熱部調節プレートの上部は加熱部とシリンジ外周面を囲むことになる。

【0014】

前記加熱部の下端には、最小加熱領域を確保するためにノズル部の外周面を囲むように設置される加熱部調節プレートをさらに含むことができる。

【0015】

前記加熱部調節プレートの厚さは加熱部より小さいか同一に形成され得る。

【0016】

前記ヘッドフレームの上部正面には、シリンジを固定させることができるようにするシリンジ固定部が備えられ得る。

【0017】

前記シリンジの中段には、シリンジが過熱されないように高い熱を放出させる放熱部が備えられ得る。
前記プリンティング組成物には熱可塑性高分子が使われ得る。

【0018】

前記加熱部はシリンジの下端部外周面に備えられるヒーティングブロックと、ヒーティングブロック内部に備えられて熱を伝達して加熱させるための複数個のカートリッジヒーターを含むことができる。

【0019】

前記カートリッジヒーターはシリンジを中心に、両側に同一の地点に位置することができる。

【0020】

前記加熱部の側部に設置されてシリンジの温度を測定できる温度測定部をさらに含むことができる。

【発明の効果】

【0021】

以上で説明した通り、本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドによると、プリンティング組成物が収容されるシリンジの下端部に加熱部を具備することによってプリンティング組成物が吐出されるノズル部周辺を局部的に加熱させて、材料が変形せずに元の状態を維持できるため、プリンティングされる製品の品質を最大化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した斜視図である。

【図2】本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した分解斜視図である。

【図3】本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドの内部構成を図示した斜視図である。

【図4】本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した正面図である。

【図5】本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施例を有することができるところ、特定実施例を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

【0024】

図面において、本発明の実施例は図示された特定形態に制限されるものではなく、明確性を期するために誇張されたものである。本明細書で特定の用語が使われたが、これは本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の権利範囲を制限するために使われたものではない。

【0025】

本明細書で「および／または」という表現は、前後に羅列された構成要素のうち少なくとも一つを含む意味で使われる。また、「連結される／結合される」という表現は、他の構成要素と直接的に連結されたり、他の構成要素を通じて間接的に連結されることを含む意味で使われる。本明細書で単数型は文面で特に言及しない限り複数型も含む。また、明細書で使われる「含む」または「含む」と言及された構成要素、段階、動作および素子は、一つ以上の他の構成要素、段階、動作および素子の存在または追加を意味する。

【0026】

実施例の説明において、各層、領域、パターンまたは構造物が基板、各側（膜）、領域、パッドまたはパターンの「上／うえ（on）」にまたは「下／した（under）」に形成されるという記載は、直接（directly）または他層を介在して形成されるものをすべて含む。各層の上／うえまたは下／したに対する基準は図面を基準として説明する。

【0027】

以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明すると、次の通りである。

【0028】

図１は本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した斜視図であり、図２は本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した分解斜視図であり、図３は本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドの内部構成を図示した斜視図であり、図４は本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した正面図であり、図５は本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドを図示した断面図である。

【0029】

図１～図５に図示された通り、本発明に係る局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッド１は、３Ｄプリンタの駆動装置および制御装置によって移動されながらプリンティング組成物を吐出することができる。前記マルチ３Ｄプリンタヘッド１０はヘッドフレーム１００と、プリンティング組成物２１１を吐出するシリンジ２００と、プリンティング組成物２１１を吐出させることができるようにする圧力供給部３００と、シリンジ２００を加熱させる加熱部４００と、温度測定部５００を含むことができる。

【0030】

前記ヘッドフレーム１００は板状で形成され得る。前記ヘッドフレーム１００の上部正面にはシリンジ２００を固定させることができるようにするシリンジ固定部６００が備えられ得る。この時、前記シリンジ固定部６００の中央にはシリンジ２００が差し込まれる差し込み溝６１０が形成され得る。

【0031】

前記シリンジ２００はヘッドフレーム１００にシリンジ固定部６００で固定され、プリンティング組成物２１１が収容される収容部２１０と、前記収容部２１０に収容されたプリンティング組成物２１１が吐出されるノズル部２２０からなり得る。

【0032】

前記プリンティング組成物２１１は熱可塑性高分子からなり得、前記熱可塑性高分子は特に制限されないが加熱を通じて流体のような流動性を有することができる高分子であり、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（vinyl chloride）、ブタジエン（butadiene）、メチルメタアクリレート（methyl methacrylate）、アクリル酸、２－ヒドロキシエチルメタクリレート（2-hydroxyetyhl methacrylate）、カーボネート（carbonate）およびポリエチレンテレフタレート（polyethylene terephalate）、ＡＢＳ（Acrylonitrile butadiene styrene）、ＰＣＬ（polycaprolactone）、ＡＳＡ（Acrylonitrile-Stryrene-Acrylate）、ＳＡＮ（Stryrene-Acrylonitrile copolymer）、ＰＳ（Polystyrene）、ＰＰＳＦ／ＰＰＳＵ（Polyphenylsulfone）、Polyetherimide、ＰＬＡ（Polylactic acid）、ＰＤＬ（Poly-ｄ-lysine）等の３Ｄプリンティングが可能な材料からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。

【0033】

前記シリンジ２００の下端部以外の任意のところには、シリンジ２００が過熱されないように高い熱を放出させる放熱部２３０が備えられ得る。

【0034】

前記圧力供給部３００はシリンジ２００の上部に連結され、ノズル部２２０を通じてプリンティング組成物２１１を吐出させることができるようにシリンジ２００の内部に圧力を供給することができる。

【0035】

前記加熱部４００はシリンジ２００の下端部外周面に備えられてノズル部２２０周辺を局部的に加熱させることができる。また、前記加熱部４００はシリンジ２００の下端部外周面に備えられるヒーティングブロック４１０が備えられ、前記ヒーティングブロック４１０に熱を伝達して加熱させるためのカートリッジヒーター４２０が備えられ得る。

【0036】

前記ヒーティングブロック４１０はシリンジ２００の下端部を囲みながら備えられ、ノズル部２２０に吐出されるプリンティング組成物２１１を加熱させてプリンティング組成物２１１が吐出されるノズル部２２０の周辺を局部的に加熱させることになる。この時、ヒーティングブロック４１０は熱伝導度が優秀なアルミニウム素材からなることが好ましい。

【0037】

前記カートリッジヒーター４２０はヒーティングブロック４１０の内部に複数個で備えられ得る。前記カートリッジヒーター４２０の位置はシリンジ２００を中心に両側に同一の地点に位置することが好ましい。この時、カートリッジヒーター４２０はシリンジ２００とヒーティングブロック４１０の温度を制御するための外部温度調節コントローラ（図示せず）と連結され得る。

【0038】

前記温度測定部５００は加熱部４００の側部に備えられてシリンジ２００またはヒーティングブロック４１０の温度を測定することができる。この時、前記温度測定部５００は温度センサからなり、シリンジ２００とヒーティングブロック４１０の温度を制御するための外部温度調節コントローラ（図示せず）と連結され得る。

【0039】

前記加熱部調節プレート７００は加熱部４００の上端に着脱可能に備えられ、最小加熱領域を確保するためにシリンジ２００の下部と加熱部４００を覆うことになる。前記加熱部調節プレート７００は加熱部４００の加熱領域に応じて大きさが調節され得る。

【0040】

また、加熱部調節プレート７００は追加的に加熱部４００の下端に着脱可能に備えられ得る。加熱部４００の下端に付着された加熱部調節プレート７００はノズル部２２０の外周面を囲むように設置される。すなわち、前記加熱部４００の上端または下端に加熱部調節プレート７００を具備することによって、シリンジ２００に収容されるプリンティング組成物２１１が固形化されずに円滑に吐出され得るようにシリンジ２００とノズル部２２０を囲んで加熱させることができる。

【0041】

一方、前記加熱部調節プレート７００の厚さは加熱部４００より小さいか同一に形成され得る。

【0042】

前記のような構造からなる本発明の局部加熱方式の３Ｄプリンタヘッドによる作用状態を詳察すると、下記の通りである。

【0043】

前記シリンジ２００の収容部２１０に収容されたプリンティング組成物２１１は、所定の３次元生体構造体を成形するためにシリンジ２００下端部のノズル部２２０を通じて吐出され得る。この時、前記ノズル部２２０にプリンティング組成物２１１が吐出される時、前記ノズル部２２０周辺に加熱部４００が備えられてヒーティングブロック４１０とカートリッジヒーター４２０で発生する熱によってノズル部２２０周辺が局部的に加熱され得る。

【0044】

このように、前記加熱部４００がシリンジ２００下端部のノズル部２２０に備えられることによって、ノズル部２２０周辺を加熱させて局部的加熱でプリンティング組成物２１１が変形せずに元の状態を維持することになって３次元生体構造体を円滑に成形することができる。

【0045】

そして、前記加熱部４００によりノズル部２２０周辺が加熱され、圧力供給部３００の作動によってノズル部２２０を通じてプリンティング組成物２１１が吐出され得る。また、前記温度測定部５００を通じてシリンジ２００およびヒーティングブロック４１０の温度をリアルタイムで測定して、加熱部４００の加熱温度を適正に維持させてプリンティング組成物２１１の吐出が円滑になされ得る。

【0046】

これと共に、前記加熱部４００の外部を囲みながら加熱部調節プレート７００が着脱可能に備えられることによって、加熱部４００で発生した熱が外部に逃げずにシリンジ２００およびノズル部２２０に最大限伝達されてプリンティング組成物２１１が固形化されずに円滑に吐出され得る。

【0047】

以上、本発明の詳細な説明では、それによる特別な実施例についてのみ記述した。しかし、本発明は詳細な説明で言及される特別な形態に限定されないものと理解されるべきであり、かえって添付された請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲内にあるすべての変形物と均等物および代替物を含むものと理解されるべきである。

【0048】

すなわち、本発明は前述した特定の実施例および説明に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変形実施が可能であり、そのような変形は本発明の保護範囲内にあることになる。

【符号の説明】

【0049】

１０：３Ｄプリンタヘッド
１００：ヘッドフレーム
２００：シリンジ
２１０：収容部
２１１：プリンティング組成物
２２０：ノズル部
２３０：放熱部
３００：圧力供給部
４００：加熱部
４１０：ヒーティングブロック
４２０：カートリッジヒーター
５００：温度測定部
６００：シリンジ固定部
６１０：差し込み溝
７００：加熱部調節プレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】