致動(dòng)便于快速地改變所分配的材料，從而允許所分配的材料包括不同材料的受控制的順序。
[0079]參考圖3，在圖示實(shí)施例中，交聯(lián)劑通道[200]和水通道[202]在交點(diǎn)[203]相交，諸如以“y形”構(gòu)造，結(jié)合在一起以形成在交聯(lián)劑通道和水通道[200、202]緊鄰下游的通道，在本文中被稱作“鞘流動(dòng)通道”[224]。水凝膠A通道和水凝膠B通道[204、206]在交點(diǎn)[207]相交，諸如以“y形構(gòu)造”，結(jié)合在一起以形成緊鄰在兩個(gè)水凝膠通道的下游的通道，在本文中被稱作“集中通道”[226]。對(duì)于所描述的實(shí)施例而言，鞘流動(dòng)通道[224]和集中通道[226]在交點(diǎn)[228]以三分叉構(gòu)造相交，其中集中通道[226]的側(cè)部為鞘流動(dòng)通道[224]，鞘流動(dòng)通道結(jié)合在一起以形成在本文中被稱作分配通道[220]的通道。分配通道[220]止于分配孔[222]。在圖1中示出的優(yōu)選實(shí)施例中，分配通道從打印頭[100]突出，止于分配孔[114]。
[0080]進(jìn)一步參考圖3，在圖示實(shí)施例中，鞘流動(dòng)通道[224]和分配通道[220]具有比集中通道[226]更大的直徑。當(dāng)液壓壓力施加到鞘流動(dòng)通道[224]和集中通道[226]時(shí)，在集中通道[226]中的液體在側(cè)向被壓縮并且“集中”成沿著集中通道[226]的中心軸線的窄流。在交點(diǎn)[228]與集中通道[226]相交時(shí)，來自較大直徑鞘流動(dòng)通道[224]的流體包圍并且包封從集中通道[226]分配的水凝膠的較窄集中流。
[0081]在優(yōu)選實(shí)施例中，在鞘流動(dòng)通道[224]中的液體包括化學(xué)交聯(lián)劑，在集中通道[226]中的液體包括一種或多種化學(xué)可交聯(lián)的水凝膠，化學(xué)可交聯(lián)的水凝膠包括一種或多種活體細(xì)胞類型。當(dāng)一種或多種化學(xué)可交聯(lián)的水凝膠在集中通道[226]中集中成窄流并且然后由分配通道[220]中的交聯(lián)劑包封時(shí)，一種或多種化學(xué)可交聯(lián)的水凝膠的至少外表面在分配通道[220]中凝固，從而形成交聯(lián)的或“固體”水凝膠纖維。水凝膠纖維然后以受控制的方式從分配孔[222]分配到接收表面上，逐層建置三維結(jié)構(gòu)。
[0082]在特別優(yōu)選實(shí)施例中，包圍水凝膠纖維的鞘流體也可以用來潤(rùn)滑水凝膠纖維穿過分配通道[220 ]的通路，直到其從打印頭孔[222 ]分配。
[0083]在一個(gè)實(shí)施例中，鞘流體包括化學(xué)交聯(lián)劑、水或其組合。在鞘流體缺少化學(xué)交聯(lián)劑的實(shí)施例中，水凝膠將不凝固并且將作為液體分配。為了調(diào)整鞘流體的組成并且開始和/或停止水凝膠的凝固，可以致動(dòng)交聯(lián)劑通道閥[210]和水通道閥[212]。設(shè)想到可能期望分配液體而不是固體水凝膠或者獨(dú)自分配鞘流體來構(gòu)建各種三維物體的某些方面。
[0084]在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭[100]可以被構(gòu)造成接收并且分配僅一種水凝膠材料。在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭可以被構(gòu)造成接收和分配兩種或更多種水凝膠材料。例如，在打印頭
[100]被構(gòu)造成接收兩種水凝膠材料(每種例如包括不同細(xì)胞類型)的實(shí)施例中，本文所提供的系統(tǒng)可以被編程為分配異質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其中第一細(xì)胞類型和第二細(xì)胞類型可以以受控制的圖案在層內(nèi)和層間單獨(dú)地和/或彼此結(jié)合地鋪設(shè)。例如，通過軟件來控制兩種材料之間的邊界，并且使用可編程的控制處理器來指導(dǎo)射流切換(例如，閥[210]、[212]、[214]、[216]中的一個(gè)或多個(gè))以改變材料在一個(gè)或多個(gè)微流體通道內(nèi)的流動(dòng)，從而改變從打印頭孔分配的材料的內(nèi)含物。能由本發(fā)明提供的打印頭接收和分配的水凝膠材料的數(shù)量?jī)H受到使用者認(rèn)為實(shí)用的打印頭的大小限制。
[0085]參考圖4，在一個(gè)實(shí)施例中，射流開關(guān)是閥，該閥包括安置在微流體通道[308]中形成的碗形特征部[318]上的膜[332]。在向閥膜[332]的暴露表面施加氣動(dòng)壓力(由圖4中的箭頭表示)時(shí)，閥膜[332]將偏轉(zhuǎn)到碗形特征部[318]內(nèi)，從而阻擋流體通過微流體通道[308]。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，閥膜[332]的厚度為大約150μπι。在閥膜厚度增加的實(shí)施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到施加的氣動(dòng)閥致動(dòng)壓力必須相應(yīng)地增加。同樣，由彈性更弱的材料形成的閥膜將需要更高的致動(dòng)壓力。本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解如何來調(diào)整致動(dòng)壓力以適合閥膜的具體材料。
[0086]在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭包括用于調(diào)節(jié)待從打印頭孔分配的材料的射流開關(guān)。例如，不使用閥，可以使用將施加的壓力接合或脫離接合到每個(gè)通道的機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)在微流體通道內(nèi)的材料流動(dòng)。
[0087]在一個(gè)實(shí)施例中，打印頭還包括延伸頂端，延伸頂端包括用于從打印頭分配材料的孔。這種延伸頂端便于精確地分配材料并且將材料沉積在受約束的區(qū)域內(nèi)，受約束的區(qū)域諸如皮氏培養(yǎng)皿或者多井孔板(例如具有6、24、96個(gè)井孔等的微型板、微井孔板或標(biāo)準(zhǔn)微量滴定板)中的井孔。參考在圖5中示出的實(shí)施例，最靠近分配孔[222]的分配通道[220]的一部分[500]具有比分配通道[220]的上游部分更大的直徑。延伸頂端[502]包括管(例如，由塑料、玻璃或金屬制成)，其具有被構(gòu)造成裝配到分配通道的大直徑部分[500]內(nèi)的外表面和被構(gòu)造成與分配通道[220]對(duì)準(zhǔn)的內(nèi)表面(限定在管中的中空空間)。延伸頂端[502]可以插入于分配通道的大直徑部分[502]內(nèi)，從而延長(zhǎng)分配通道[220]的長(zhǎng)度，這便于從延伸頂端[502]中的孔[503]分配的材料沉積到受約束的空間內(nèi)，受約束的空間諸如井孔板插件[504]或皮氏培養(yǎng)皿(未圖示)。
[0088]參考圖1所示的實(shí)施例，延伸頂端[130]為從打印頭[100]延伸的突出部，延伸頂端
[130]止于打印頭孔[114]。在該實(shí)施例中，延伸頂端[130]與打印頭是一體的。
[0089]在一個(gè)實(shí)施例中，兩種或更多種水凝膠材料能同軸布置于從本發(fā)明提供的系統(tǒng)分配的水凝膠纖維內(nèi)。參考圖6，在圖示實(shí)施例中，打印頭[100]包括微流體通道，微流體通道被布置成產(chǎn)生同軸水凝膠纖維，同軸水凝膠纖維包括水凝膠芯材料和水凝膠殼材料。在圖示實(shí)施例中，在通道[508]中運(yùn)送的殼材料是快速凝膠化的水凝膠，例如海藻酸鹽，在通道[506]中運(yùn)送的芯材料是使用者選擇的不同水凝膠(例如，膠原質(zhì)或纖維蛋白原)。通道[508]和通道[506]在水凝膠集中交點(diǎn)[510]處相交，例如以“y形”構(gòu)造(類似于圖3所示的交點(diǎn)[528])結(jié)合在一起以形成在通道[506]和[508]下游的集中通道[226]。在水凝膠集中交點(diǎn)[510]，殼材料與芯材料同軸集中使得殼材料形成繞芯材料的鞘。在優(yōu)選實(shí)施例中，通道[508]和[226]具有大于通道[506]的直徑，以便于芯材料和殼材料同軸集中。在優(yōu)選實(shí)施例中，殼材料的目的在于提供具有物理結(jié)構(gòu)支撐的芯材料使得其可以形成為三維幾何構(gòu)造。芯可以在材料被沉積之后凝固，凝固的精確方法對(duì)于不同的芯材料而言是特定的。例如，芯可以包括很緩慢凝固的材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，芯材料和殼材料包括相同的材料。在又一個(gè)實(shí)施例中，殼材料包括快速凝固的水凝膠并且芯材料包括將不膠凝的材料，從而便于生成中空纖維。
[0090]在一個(gè)實(shí)施例中，在圖6中描繪的打印頭[100]還可以包括額外芯材料通道，每個(gè)具有相對(duì)應(yīng)的射流開關(guān)，例如閥，以用于調(diào)節(jié)其中的材料流動(dòng)。射流開關(guān)便于快速并且頻繁地調(diào)整在分配的纖維中的芯材料的組成，例如通過由可編程的控制處理器提供的指令。[0091 ]在一個(gè)實(shí)施例中，可布置若干打印頭，例如并聯(lián)布置，以允許同時(shí)打印多個(gè)結(jié)構(gòu)。這將提高生產(chǎn)量。
[0092]在某些實(shí)施例中，打印頭是一次性的。使用一次性打印頭能減少用于不同打印工作中的材料污染的可能性。
[0093]例如可以使用已知的微流體成型技術(shù)(例如，澆注、印刻或注射成型)和一種或多種可成型的聚合物例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)來制造打印頭。替代地，市售三維打印技術(shù)可以用于制造打印頭。
[0094]流體移除特征
[0095]在一方面，本發(fā)明提供一種用于三維結(jié)構(gòu)的增材制造的系統(tǒng)，其包括用于從接收表面和可選地從已分配的水凝膠的表面上移除過量鞘流體的特征，其中從打印頭的孔分配的第一層材料沉積到接收表面上。在打印期間，能使過量鞘流體聚集或“匯集”到接收表面上或者已分配的水凝膠的表面上。這種匯集能干涉從打印頭孔分配的水凝膠到接收表面和/或到已分配的水凝膠的一個(gè)或多個(gè)層上的沉積。例如，匯集的鞘流體可能造成分配的水凝膠纖維從其在正打印的三維結(jié)構(gòu)中的預(yù)期位置滑移。因此，在該系統(tǒng)的實(shí)施例中，利用流體移除特征從接收表面和可選地從分配的水凝膠的表面上移除過量鞘流體可能改進(jìn)三維結(jié)構(gòu)的增材制造。
[0096]通過從接收表面或者從分配的凝膠的一個(gè)或多個(gè)層的表面抽走流體，通過允許或便于鞘流體從這些表面蒸發(fā)而可以從這些表面移除過量鞘流體，或者在接收表面是多孔性的實(shí)施例中，通過抽吸過量鞘流體穿過多孔性表面而可以移除過量鞘流體。
[0097]在優(yōu)選實(shí)施例中，接收表面包括多孔性材料，孔隙的大小便于鞘流體從那里通過并且大小適于支撐在其上沉積的一個(gè)或多個(gè)水凝膠層。
[0098]參考圖7和圖8，在圖示實(shí)施例中，打印床[108]包括多孔性膜[400]，多孔性膜[400]用作接收第一層分配材料的表面(S卩，接收表面)。多孔性膜[400]在打印床[108]中保持就位，在盒件[408]與蓋件[402]之間。盒件[408]是容器，其可以具有適合于接收和容納液體的任何形狀(例如，正方形、圓形)。盒件[408 ]內(nèi)側(cè)的空間被稱作腔室[404 ]。盒件[408 ]具有上表面[409]，上表面包括延伸盒件[408]的上表面[409]周邊的凹陷唇緣[412]。上表面[409]包括由一個(gè)或多個(gè)壁[410]限定的孔口，孔口由凹陷唇緣[412]包圍并且延伸到盒件[408]內(nèi)。
[0099]進(jìn)一步參考圖7和圖8中示出的實(shí)施例，蓋件[402]包括上表面[403]和側(cè)壁[418]，上表面[403]具有穿過它延伸的孔口 [416]，側(cè)壁[418]被構(gòu)造成繞盒件[408]的凹陷唇緣[412]裝配，從而便于將蓋件[402]放置于盒件[408]的上表面[409]上。當(dāng)蓋件[402]放置于盒件[408]上時(shí)，盒中的孔口與蓋件[402]對(duì)齊。操作中，多孔性膜[400]放置在盒件[408]的上表面[409]上使得多孔性膜延伸在盒件[408]的上表面[409]中的孔口上，然后將蓋件[402]放置于盒件[408]頂部上，并且向下壓。蓋件[402]的向下壓力伸展在盒件[408]的上表面[409]中的孔口上的多孔性膜[400]，從而將多孔性膜[400]固持在盒件[408]與蓋件[402]之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，蓋件[402]和盒件[408]緊貼地裝配在一起，從而提供在本發(fā)明所提供的系統(tǒng)的操作期間保持牢固的連接。
[0100]進(jìn)一步參考圖7和圖8中示出的實(shí)施例，盒件[408]包括固體基座[414]和用于導(dǎo)向流體離開腔室[404]的至少一個(gè)出口管[406]，真空源(未圖示)與腔室[404]的出口管[406]成流體連通。多孔性膜[400]包括大小便于鞘流體通過的孔隙。聯(lián)接到出口管[406]的真空源(未圖示)可以被致動(dòng)以通過多孔性膜[400]來抽吸聚集在多孔性膜[400]上的過量鞘流體到