7]圖3是本發(fā)明的打印頭的一個實施例的透視圖。
[0048]圖4是圖3的打印頭中的閥的截面圖，包括當(dāng)致動閥時閥膜的偏轉(zhuǎn)。
[0049]圖5是圖3的打印頭的替代實施例的截面圖。
[0050]圖6是圖3的打印頭的替代實施例的俯視圖。
[0051 ]圖7是本發(fā)明的打印床組件的一個實施例的分解透視圖。
[0052]圖8是圖9的組裝的打印床的截面圖。
[0053]圖9是圖9的打印床的替代實施例的截面圖。
[0054]圖10是本發(fā)明的打印頭的一個實施例的透視圖。
【具體實施方式】
[0055]在下文中提供在本說明書中使用的某些術(shù)語的定義。除非另外定義，在本文中使用的所有科技術(shù)語通常具有本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常理解的意義。
[0056]如本文所用的術(shù)語“約”將由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解并且將根據(jù)其所使用的上下文在某種程度上變化。如果使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不清楚的術(shù)語，在其使用的給定上下文中，“約”將表示該數(shù)字至多加上或減去10%。
[0057]如本文所用的術(shù)語“水凝膠”指包括水和親水聚合物鏈的網(wǎng)絡(luò)或晶格的組合物。天然水凝膠的示例包括(例如)海藻酸鹽、瓊脂糖、膠原質(zhì)、纖維蛋白原、明膠、殼聚糖、透明質(zhì)酸基凝膠或其任何組合。多種合成水凝膠是已知的并且可以用于本文所提供的系統(tǒng)和方法的實施例中。例如，在本文所提供的系統(tǒng)和方法的實施例中，一個或多個水凝膠形成打印的三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在某些實施例中，水凝膠具有支持一種或多種細(xì)胞類型的生長和/或增殖的能力，一種或多種細(xì)胞類型可分散于水凝膠內(nèi)或者在水凝膠已被打印成三維構(gòu)造后添加到水凝膠。在某些實施例中，水凝膠通過化學(xué)交聯(lián)劑而交聯(lián)。例如，包含海藻酸鹽的水凝膠可以在二價陽離子的存在下交聯(lián)，包括纖維蛋白原的水凝膠可以在凝血酶的存在下交聯(lián)，并且包括膠原質(zhì)或殼聚糖的水凝膠可以在熱或堿溶液的存在下交聯(lián)。水凝膠的交聯(lián)將增加水凝膠的硬度，在某些實施例中，允許形成表現(xiàn)為固體的水凝膠。
[0058]如本文所用的術(shù)語“鞘流體”指至少部分地用來包封或“包住”待分配的材料例如水凝膠的液體。在某些實施例中，鞘流體包括下列中的一種或多種:水溶劑例如水或甘油，以及化學(xué)交聯(lián)劑，例如包括二價陽離子的材料(例如，Ca2+、Ba2+、Sr2+等)、凝血酶或pH調(diào)節(jié)化學(xué)品諸如碳酸氫鈉。
[0059]如本文所用的術(shù)語“過量鞘流體”指從打印頭孔分配并且不形成使用本文所提供的系統(tǒng)或方法的一個或多個實施例打印的三維結(jié)構(gòu)的部分的鞘流體的一部分。例如，過量鞘流體可以用于水凝膠的通過打印頭中的分配通道以及通過打印頭孔的潤滑通路中。一旦從打印頭孔分配，過量鞘流體可以從分配的水凝膠層表面流淌到接收表面，在接收表面，其可以聚集或匯集。
[0060]如本文所用的術(shù)語“接收表面”指從打印頭孔分配的第一層材料所沉積的表面。接收表面也接收過量鞘流體，過量鞘流體從打印頭孔分配并且從打印頭孔分配的一層或多層材料流淌出。在某些實施例中，接收表面由固體材料制成。在某些實施例中，接收表面有多孔性材料制成。舉例而言，在某些實施例中，多孔性材料的孔隙率足以允許鞘流體從孔隙通過。在某些實施例中，接收表面基本上是平坦的，從而提供平坦表面，第一層分配材料能沉積到平坦表面上。在某些實施例中，接收表面具有對應(yīng)于待打印的三維結(jié)構(gòu)的形貌，從而便于打印具有不平坦的第一層的三維結(jié)構(gòu)。
[0061]在一方面，本發(fā)明大體而言涉及一種用于增材制造三維(3D)生物結(jié)構(gòu)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
[0062]打印系統(tǒng)的總體描述
[0063]在一方面，本發(fā)明提供一種用于對三維結(jié)構(gòu)進行增材制造的系統(tǒng)(在本文中也被稱作“打印機”、“三維打印機”或“打印系統(tǒng)”或“系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)包括微流體打印頭，其是微流體液體處置裝置，包括:一個或多個微流體通道，用于接收和導(dǎo)向待分配的材料;射流開關(guān)，其對應(yīng)于微流體通道用于調(diào)節(jié)待打印的材料流動；以及，單個孔，其用于分配待分配的材料。
[0064]待分配的材料包括鞘流體和至少一種水凝膠。在優(yōu)選實施例中，鞘流體包括化學(xué)交聯(lián)劑，在化學(xué)交聯(lián)劑與水凝膠接觸時，化學(xué)交聯(lián)劑適合于使水凝膠凝固。在優(yōu)選實施例中，鞘流體也用作凝固的水凝膠的潤滑劑。
[0065]微流體通道用作以受控制的方式導(dǎo)向和結(jié)合待分配的材料的管道。微流體通道布置于打印頭內(nèi)使得用于接收和導(dǎo)向鞘流體的一個或多個第一通道和用于接收和導(dǎo)向水凝膠的第二通道在第一交點相交并且結(jié)合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到打印頭的孔。在一個優(yōu)選實施例中，第一通道被構(gòu)造成在第一交點在第二通道側(cè)部。以此方式，鞘流體被導(dǎo)向為在分配通道中沿著水凝膠的任一側(cè)流動。
[0066]在優(yōu)選實施例中，在分配通道中的材料同軸地導(dǎo)向，水凝膠被集中到分配通道的中心并且鞘流體包圍水凝膠流體，從而形成繞水凝膠的鞘。在鞘流體也包括適合于使水凝膠交聯(lián)的化學(xué)交聯(lián)劑的優(yōu)選實施例中，凝固的水凝膠纖維形成于分配通道中并且從打印頭的孔分配。
[0067]在一個方面，該系統(tǒng)還包括接收表面和定位單元，接收表面用于接收從孔分配的第一層材料，定位單元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。例如，打印頭可以聯(lián)接到市售的具有三個運動自由度的機動的定位系統(tǒng)，使得打印頭能定位于接收表面上方并且定向成向下朝向接收表面導(dǎo)向分配的材料。
[0068]在一個方面，該系統(tǒng)包括用于從打印頭孔分配材料的器件并且還可以包括可編程的控制處理器和/或與可編程的控制處理器成數(shù)據(jù)通信以調(diào)節(jié)打印頭孔的定位?？删幊痰目刂铺幚砥饕部梢杂糜谡{(diào)節(jié)將從打印頭孔分配的材料的分配。
[0069]圖1示出了本文所提供的三維打印系統(tǒng)的一個實施例的示意透視圖。
[0070]參考圖1，該系統(tǒng)包括微流體打印頭[100]，微流體打印頭[100]包括打印頭孔[114]和用于接收將從打印頭[100]分配的材料的至少一個入口。待分配的材料儲存在打印材料儲集器[110]中并且通過相應(yīng)第一連接管[122]遞送到打印頭，第一連接管[122]提供在打印頭與打印材料儲集器之間的流體連通。在圖示實施例中，用來分配將從打印頭孔分配的材料的器件是壓力控制單元[112]，壓力控制單元[112]通過相應(yīng)第二連接管[120]流體地聯(lián)接到打印材料儲集器[110]。壓力控制單元是用來提供力以分配待分配材料的器件。壓力控制單元經(jīng)由相應(yīng)第二連接管[120 ]向打印材料儲集器[110]供應(yīng)氣動壓力。施加到打印材料儲集器上的壓力迫使流體從儲集器出來并且經(jīng)由相應(yīng)第一連接管[122]進入到打印頭內(nèi)。用于分配待分配材料的替代器件可以用于圖示實施例中。例如，一系列電子控制的注射器栗可以用于提供力來分配待從打印頭孔分配的材料。
[0071]參考圖1，微流體打印頭[100]聯(lián)接到包括三個臂[102、103和104]的三維機動臺，以將打印頭[100]和打印頭孔[114]定位于打印床[108]上方的三維空間中，打印床[108]包括用于接收打印材料的表面[109 ]。在一個實施例中，三維機動臺(即，定位單元)能受到控制以定位豎直臂[104]，豎直臂[104]沿著三維機動臺的z軸線延伸使得打印頭孔[114]朝向下。沿著機動臺的X軸線延伸的第一水平臂[102]固定到不動的基座平臺[116]。沿著機動臺的y軸線延伸的第二水平臂[103]可移動地聯(lián)接到第一水平臂[102]的上表面使得第一水平臂和第二水平臂[102和103]的縱向方向彼此垂直。應(yīng)了解如在上文中關(guān)于臂所使用的術(shù)語“豎直”和“水平”意味描述打印頭移動的方式并且未必限制臂本身的物理取向。
[0072]在圖1所示的實施例中，打印床[108]定位于平臺[118]的頂部上，平臺聯(lián)接到第二水平臂[103]的上表面。在該實施例中，三維機動臺臂[102、103和104]分別有三個相對應(yīng)的馬達[105、106和107]驅(qū)動，并且受到可編程控制處理器諸如計算機(未圖示)的控制。在優(yōu)選實施例中，打印頭[100]和打印床[108]由三維機動臺沿著笛卡爾坐標(biāo)系的所有三個主要軸線共同地可移動并且該臺的移動使用計算機軟件來限定。
[0073]應(yīng)了解本發(fā)明并不僅限于所描述的定位系統(tǒng)并且其它定位系統(tǒng)是本領(lǐng)域中已知的。
[0074]在圖1中所示的實施例中，在材料從打印頭孔[114]分配時，定位單元以受軟件控制的圖案移動，從而在接收表面[109]上創(chuàng)建第一層的分配材料。額外層的分配材料一個堆疊在另一個頂部上使得分配的材料層的最終三維幾何結(jié)構(gòu)大體上是軟件所提供的三維幾何設(shè)計的復(fù)制品。如本領(lǐng)域中已知的，可以使用典型的三維CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件創(chuàng)建或者從數(shù)字圖像來生成三維設(shè)計。另外，如果軟件生成的幾何構(gòu)造包含關(guān)于待使用的具體材料的信息，那么根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，能向不同的幾何位置分派具體材料類型。例如，圖2示出了使用本文所提供的系統(tǒng)的一個實施例打印的三個三維結(jié)構(gòu):立方體[128]、中空圓柱[129]和中空同軸圓柱[130]。使用軟件來生成立方體、中空圓柱和中空同軸圓柱設(shè)計(分別為[125]、[126]和[127])，每一種設(shè)計包括兩種不同類型的材料(染色海藻酸鹽)，其被染成不同顏色以提供用來生成打印的立方體和中空圓柱的材料的視覺清晰度。
[0075]本文所涉及的任何軟件、應(yīng)用程序或模塊可以使用計算機可讀/可執(zhí)行的指令來實施，計算機可讀/可執(zhí)行的指令可以存儲或以其它方式由這種計算機可讀介質(zhì)來保持。
[0076]打印頭
[0077]圖3示出了用于所提供的系統(tǒng)中的微流體打印頭[100]的一個實施例的示意透視圖。
[0078]參考圖3，圖示實施例描繪了微流體打印頭[100]，其包括用來運送各種流體的微流體通道。在圖示實施例中，微流體通道具有圓柱形狀。然而，不是圓柱的其它通道形狀也可以用于本文所提供的打印頭中。通道[200]是用于交聯(lián)劑的管道，通道[202]是用于水的管道。在圖示實施例中，交聯(lián)劑和水，單獨地或一起用作“鞘流體”。通道[204]是用于第一水凝膠組合物(也被稱作“水凝膠A”)的管道，通道[206]是用于第二水凝膠組合物(被稱作“水凝膠B”)的管道。在優(yōu)選實施例中，一種或多種活體細(xì)胞類型可以與水凝膠A和/或B相容并且可選地分散于水凝膠A和/或8內(nèi)。在圖示實施例中，每個微流體通道包括流體入口 [208a、208b、208c、208d]，流體入口允許包含在連接管[122]中的流體傳遞到打印頭[100]的相應(yīng)通道內(nèi)。在流體入口 [208a、208b、208c、208d]的下游是對應(yīng)于每個通道的閥[210、212、214、216]。在圖示實施例中，閥用作“射流開關(guān)”，其能被致動以允許和不允許流體流動通過通道，每個閥具有相對應(yīng)的入口[218、218&、21813、218(3、218(1]，入口便于致動閥和解除對閥的致動。在一個實施例中，閥[210、212、214、216]可以被電子致動。在另一個實施例中，可以通過施加的壓力變化，例如利用螺線管活塞來致動閥[210、212、214、216]。不同閥的電子或壓力