用于三維結(jié)構(gòu)的增材制造的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于三維結(jié)構(gòu)的増材制造的系統(tǒng)和方法
[0001 ] 先前申請(qǐng)的交叉引用
[0002]根據(jù)巴黎公約，本申請(qǐng)要求在2013年6月13日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/834,420的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)以引用的方式并入到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體而言涉及從數(shù)字文件三維(3D)打印和生成三維生物結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明涉及用于制造三維載細(xì)胞水凝膠結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]三維打印，一種增材制造(AM)形式，是從數(shù)字文件直接創(chuàng)建三維物體的過(guò)程。軟件用來(lái)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或物體的三維掃描分成許多薄截面層。這些層集合被發(fā)送到AM系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)逐層建置三維物體。每一層沉積到先前層頂部直到完全構(gòu)建了物體。能使用支撐材料來(lái)支撐物體的懸掛和復(fù)雜特征。存在各種AM過(guò)程，其能用塑料、金屬、陶瓷和/或生物材料來(lái)建置零件。
[0005]增材制造可以應(yīng)用于生物系統(tǒng)中。例如，直到近來(lái)，在二維(2D)表面諸如微井孔板和皮氏培養(yǎng)皿上執(zhí)行大部分細(xì)胞培養(yǎng)研究。然而，二維培養(yǎng)系統(tǒng)并未模仿細(xì)胞在體內(nèi)存在的三維環(huán)境。研究者發(fā)現(xiàn)三維細(xì)胞培養(yǎng)的行為比二維細(xì)胞培養(yǎng)至少部分地更像天然生物組織，因?yàn)樵谔烊唤M織中的細(xì)胞的三維布置影響細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，而這會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)和生理。
[0006]用來(lái)制成細(xì)胞構(gòu)造的增材制造裝置和系統(tǒng)是已知的。例如，已知熔融纖維沉積技術(shù)應(yīng)用于生物材料。在熔融纖維沉積中，高粘度液體從相對(duì)較窄的孔分配并且然后通過(guò)各種手段快速凝固。生物相容性塑料、熱膠凝水溶膠、可紫外線(xiàn)交聯(lián)的聚合物和高濃度海藻酸鹽已經(jīng)用作三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的支架，其中在其凝固后，將細(xì)胞添加到支架。這些技術(shù)的缺陷在于它們需要在打印之后將細(xì)胞添加到支架，使得難以控制細(xì)胞放置。另外，支架基底的組成可能并不適合便于細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)。
[0007]已知并且期望用于包括直接打印細(xì)胞材料的打印三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，至少部分地是因?yàn)樗鼈兛梢栽试S細(xì)胞沉積在三維支架內(nèi)。例如，曾經(jīng)使用噴墨打印技術(shù)來(lái)打印生物材料。然而，將流體液滴推進(jìn)到基底上所涉及的剪切力可能會(huì)損壞在流體中分散的細(xì)胞。另外，噴墨打印是一個(gè)緩慢的過(guò)程，這使得難以適應(yīng)需要具體的環(huán)境條件才能生存的生物材料。
[0008]用于在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)直接打印細(xì)胞的其它系統(tǒng)包括美國(guó)專(zhuān)利No:8，639,484，其涉及使用CAD模型和三維定位單元來(lái)通過(guò)多個(gè)噴嘴逐層沉積細(xì)胞材料以創(chuàng)建三維物體。多個(gè)噴嘴允許許多不同的材料包括于三維物體中。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No:2012/0089238公開(kāi)了一種多盒打印系統(tǒng)以產(chǎn)生復(fù)合有機(jī)三維結(jié)構(gòu)，其中使用至少兩個(gè)注射器來(lái)建置該結(jié)構(gòu)，一個(gè)注射器包括結(jié)構(gòu)支撐聚合物并且另一個(gè)包括活體細(xì)胞組合物，在表面上迭代地沉積結(jié)構(gòu)支撐聚合物和活體細(xì)胞組合物。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No: 2014/0012407公開(kāi)了一種包括一個(gè)或多個(gè)打印頭的裝置，每個(gè)打印頭被構(gòu)造成接收和保持一個(gè)或多個(gè)盒。每個(gè)盒包括流體，諸如包括細(xì)胞或支撐材料的生物墨水，以及孔，流體能通過(guò)孔從盒分配。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)方法通常需要多個(gè)噴嘴和/或盒孔以便于打印多種不同材料(例如，一種材料由一個(gè)噴嘴或盒孔分配)。使用多個(gè)噴嘴來(lái)分配不同材料需要相對(duì)應(yīng)地增加打印系統(tǒng)的移動(dòng)來(lái)將適當(dāng)噴嘴或盒孔以受控制的順序定位從而分配不同的材料順序。這種增加的移動(dòng)降低了打印速度和效率。
[0010]期望避免或緩解上述缺陷中的一種或多種缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在第一方面，提供一種用于三維結(jié)構(gòu)的增材制造的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:至少一個(gè)打印頭，其用于接收和分配材料，該材料包括鞘流體和水凝膠。在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括:用于分配材料的孔;微流體通道，其包括用于接收和導(dǎo)向鞘流體的一個(gè)或多個(gè)第一通道和用于接收和導(dǎo)向水凝膠的一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)第二通道，第二通道與第一通道在第一交點(diǎn)相交，第二通道和第一通道在第一交點(diǎn)結(jié)合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到孔；以及，射流開(kāi)關(guān)，每個(gè)射流開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)于打印頭中的微流體通道之一并且被構(gòu)造成當(dāng)致動(dòng)時(shí)允許或不允許打印頭的微流體通道中的流體流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括:接收表面，其用于接收從孔分配的材料的第一層;定位單元，其用于將打印頭的孔定位于三維空間中，定位單元可操作地聯(lián)接到打印頭；以及分配裝置，其用于從打印頭的孔分配材料。
[0012]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括可編程的控制處理器，其用于控制定位單元和控制材料從打印頭到接收表面上的分配。
[0013]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)第一通道包括至少兩個(gè)通道，一個(gè)或多個(gè)第一通道被構(gòu)造成在第一交點(diǎn)處在相應(yīng)第二通道的側(cè)部。
[0014]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，鞘流體包括交聯(lián)劑，其用于使水凝膠在交點(diǎn)和/或分配通道中與交聯(lián)劑接觸時(shí)凝固。
[0015]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)第二通道具有比第一通道和分配通道的直徑更小的直徑，其中來(lái)自第一通道的流動(dòng)形成圍繞分配通道中的水凝膠的同軸鞘。
[0016]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，水凝膠包括活體細(xì)胞。
[0017]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括:流體移除特征，其用于移除從打印頭分配的過(guò)量鞘流體。
[0018]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小適于允許過(guò)量鞘流體從孔隙通過(guò)。
[0019]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，流體移除特征包括吸收劑材料或真空，吸收劑材料或真空用于將過(guò)量鞘流體從接收表面抽走。
[0020]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，吸收劑材料或真空施加在多孔性膜下方。在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，真空施加于接收表面上方。
[0021]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)設(shè)置于打印頭上的一個(gè)或多個(gè)真空通道來(lái)施加真空，一個(gè)或多個(gè)真空通道具有位于打印頭的孔附近的孔。
[0022]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括:用于容納材料的儲(chǔ)集器，儲(chǔ)集器分別流體地聯(lián)接到打印頭中的微流體通道。
[0023]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭還包括用于接收來(lái)自?xún)?chǔ)集器的材料的至少兩個(gè)入口，入口中每一個(gè)與相應(yīng)微流體通道和相應(yīng)儲(chǔ)集器成流體連通。
[0024]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，分配裝置包括壓力控制單元。
[0025]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，射流開(kāi)關(guān)包括閥。
[0026]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭還包括中空突出部，中空突出部被構(gòu)造成從孔朝向接收表面延伸。
[0027]在第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括兩個(gè)第二通道，第二通道中每一個(gè)適于傳送相應(yīng)水凝膠，兩個(gè)第二通道在第二交點(diǎn)相交并且在第二交點(diǎn)結(jié)合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交點(diǎn)。
[0028]在第二方面，提供一種用于三維結(jié)構(gòu)的增材制造的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:至少一個(gè)打印頭，其用于接收和分配材料，材料包括鞘流體和水凝膠。在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括:用于分配材料的孔;微流體通道，其用于接收材料并且將材料導(dǎo)向至孔；以及，射流開(kāi)關(guān)，每個(gè)射流開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)于打印頭中的微流體通道之一并且被構(gòu)造成當(dāng)致動(dòng)時(shí)允許或不允許打印頭中的微流體通道中的流體流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括:接收表面，其用于接收從孔分配的材料;流體移除特征，其用于移除從孔分配的過(guò)量鞘流體;定位單元，其用于將打印頭的孔定位于三維空間中，定位單元可操作地聯(lián)接到打印頭；以及分配裝置，其用于從打印頭的孔分配材料。
[0029]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，流體移除特征包括真空，真空用于將過(guò)量鞘流體從接收表面或者穿過(guò)接收表面抽走和/或從接收表面上分配的水凝膠抽走。
[0030]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小適于允許過(guò)量鞘流體從孔隙通過(guò)。
[0031]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，真空在多孔性膜的下方施加。在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，真空施加于接收表面上方。
[0032]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)設(shè)置于打印頭上的一個(gè)或多個(gè)真空通道來(lái)施加真空，一個(gè)或多個(gè)真空通道具有位于打印頭的孔附近的孔。
[0033]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，流體移除特征包括吸收劑材料，吸收劑材料從接收表面抽走過(guò)量鞘流體。
[0034]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括:可編程的控制處理器，其用于控制定位單元和控制材料從打印頭到接收表面上的分配。
[0035]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭還包括中空突出部，中空突出部被構(gòu)造成從孔朝向接收表面延伸。
[0036]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括:一個(gè)或多個(gè)第一通道，其用于接收和導(dǎo)向鞘流體，以及用于接收和導(dǎo)向水凝膠的一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)第二通道，第二通道在第一交點(diǎn)與第一通道相交，第二通道和第一通道在第一交點(diǎn)結(jié)合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到該孔。
[0037]在第二方面的一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括兩個(gè)第二通道，第二通道中每一個(gè)適于傳送相應(yīng)水凝膠，兩個(gè)第二通道在第二交點(diǎn)相交并且在第二交點(diǎn)結(jié)合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交點(diǎn)。
[0038]在第三方面，提供一種打印三維(3D)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括:提供三維打印機(jī)，打印機(jī)包括:打印頭，打印頭包括用于分配材料的孔;接收表面，其用于接收從打印頭的孔分配的材料的第一層；以及，定位單元，其可操作地聯(lián)接到打印頭，定位單元用于將打印頭定位于三維空間中。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括:提供待分配的材料，待分配的材料包括鞘流體和一種或多種水凝膠；向打印機(jī)編碼待打印的三維結(jié)構(gòu)；從打印頭孔分配待分配的材料;將分配的材料的第一層沉積到接收表面上;重復(fù)沉積步驟，將隨后分配的材料沉積到第一層和任何隨后沉積的材料層上，從而以根據(jù)該三維結(jié)構(gòu)的幾何布置來(lái)逐層沉積分配的材料層；以及在沉積步驟期間或者在沉積步驟之間，在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，移除由打印頭孔分配的過(guò)量鞘流體。
[0039]在第三方面的一個(gè)實(shí)施例中，鞘流體包括適合于在與水凝膠接觸時(shí)使水凝膠交聯(lián)和凝固的交聯(lián)劑，接觸形成水凝膠纖維。
[0040]在第三方面的一個(gè)實(shí)施例中，鞘流體和水凝膠以同軸布置分配，其中鞘流體包封水凝膠。
[0041]在第三方面的一個(gè)實(shí)施例中，沉積步驟和移除步驟持續(xù)地執(zhí)行，從而在沉積分配材料層時(shí)持續(xù)地移除過(guò)量鞘流體。
[0042]在第三方面的一個(gè)實(shí)施例中，移除步驟在沉積步驟之間和/或與沉積步驟同時(shí)間歇地執(zhí)行，從而在沉積分配材料層時(shí)間歇地移除過(guò)量鞘流體。
[0043]在第三方面的一個(gè)實(shí)施例中，一種或多種水凝膠適于支持分散于其中的活體細(xì)胞的生長(zhǎng)和/或增殖。
【附圖說(shuō)明】
[0044]參考附圖，在下文的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的特點(diǎn)將變得更加顯然，在附圖中:
[0045]圖1是本發(fā)明的打印系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的透視圖。
[0046]圖2是軟件設(shè)計(jì)的物體和使用本發(fā)明的打印系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例打印的相對(duì)應(yīng)物體的透視圖。
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