用于三維結(jié)構(gòu)的增材制造的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于三維結(jié)構(gòu)的増材制造的系統(tǒng)和方法
[0001 ] 先前申請的交叉引用
[0002]根據(jù)巴黎公約，本申請要求在2013年6月13日提交的美國申請?zhí)?1/834,420的優(yōu)先權(quán)，該申請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)建三維物體的過程。軟件用來將計算機輔助設(shè)計(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。能使用支撐材料來支撐物體的懸掛和復雜特征。存在各種AM過程，其能用塑料、金屬、陶瓷和/或生物材料來建置零件。
[0005]增材制造可以應用于生物系統(tǒng)中。例如，直到近來，在二維(2D)表面諸如微井孔板和皮氏培養(yǎng)皿上執(zhí)行大部分細胞培養(yǎng)研究。然而，二維培養(yǎng)系統(tǒng)并未模仿細胞在體內(nèi)存在的三維環(huán)境。研究者發(fā)現(xiàn)三維細胞培養(yǎng)的行為比二維細胞培養(yǎng)至少部分地更像天然生物組織，因為在天然組織中的細胞的三維布置影響細胞-細胞相互作用，而這會影響細胞生長和生理。
[0006]用來制成細胞構(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)應用于生物材料。在熔融纖維沉積中，高粘度液體從相對較窄的孔分配并且然后通過各種手段快速凝固。生物相容性塑料、熱膠凝水溶膠、可紫外線交聯(lián)的聚合物和高濃度海藻酸鹽已經(jīng)用作三維細胞結(jié)構(gòu)的支架，其中在其凝固后，將細胞添加到支架。這些技術(shù)的缺陷在于它們需要在打印之后將細胞添加到支架，使得難以控制細胞放置。另外，支架基底的組成可能并不適合便于細胞增殖和生長。
[0007]已知并且期望用于包括直接打印細胞材料的打印三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，至少部分地是因為它們可以允許細胞沉積在三維支架內(nèi)。例如，曾經(jīng)使用噴墨打印技術(shù)來打印生物材料。然而，將流體液滴推進到基底上所涉及的剪切力可能會損壞在流體中分散的細胞。另外，噴墨打印是一個緩慢的過程，這使得難以適應需要具體的環(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)直接打印細胞的其它系統(tǒng)包括美國專利No:8，639,484，其涉及使用CAD模型和三維定位單元來通過多個噴嘴逐層沉積細胞材料以創(chuàng)建三維物體。多個噴嘴允許許多不同的材料包括于三維物體中。美國專利申請公開No:2012/0089238公開了一種多盒打印系統(tǒng)以產(chǎn)生復合有機三維結(jié)構(gòu)，其中使用至少兩個注射器來建置該結(jié)構(gòu)，一個注射器包括結(jié)構(gòu)支撐聚合物并且另一個包括活體細胞組合物，在表面上迭代地沉積結(jié)構(gòu)支撐聚合物和活體細胞組合物。美國專利申請公開No: 2014/0012407公開了一種包括一個或多個打印頭的裝置，每個打印頭被構(gòu)造成接收和保持一個或多個盒。每個盒包括流體，諸如包括細胞或支撐材料的生物墨水，以及孔，流體能通過孔從盒分配。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)方法通常需要多個噴嘴和/或盒孔以便于打印多種不同材料(例如，一種材料由一個噴嘴或盒孔分配)。使用多個噴嘴來分配不同材料需要相對應地增加打印系統(tǒng)的移動來將適當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。在一個實施例中，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向鞘流體的一個或多個第一通道和用于接收和導向水凝膠的一個或多個相應第二通道，第二通道與第一通道在第一交點相交，第二通道和第一通道在第一交點結(jié)合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到孔；以及，射流開關(guān)，每個射流開關(guān)對應于打印頭中的微流體通道之一并且被構(gòu)造成當致動時允許或不允許打印頭的微流體通道中的流體流動。在一個實施例中，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]在第一方面的一個實施例中，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]在第一方面的一個實施例中，一個或多個第一通道包括至少兩個通道，一個或多個第一通道被構(gòu)造成在第一交點處在相應第二通道的側(cè)部。
[0014]在第一方面的一個實施例中，鞘流體包括交聯(lián)劑，其用于使水凝膠在交點和/或分配通道中與交聯(lián)劑接觸時凝固。
[0015]在第一方面的一個實施例中，每個第二通道具有比第一通道和分配通道的直徑更小的直徑，其中來自第一通道的流動形成圍繞分配通道中的水凝膠的同軸鞘。
[0016]在第一方面的一個實施例中，水凝膠包括活體細胞。
[0017]在第一方面的一個實施例中，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量鞘流體。
[0018]在第一方面的一個實施例中，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量鞘流體從孔隙通過。
[0019]在第一方面的一個實施例中，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量鞘流體從接收表面抽走。
[0020]在第一方面的一個實施例中，吸收劑材料或真空施加在多孔性膜下方。在第一方面的一個實施例中，真空施加于接收表面上方。
[0021]在第一方面的一個實施例中，通過設(shè)置于打印頭上的一個或多個真空通道來施加真空，一個或多個真空通道具有位于打印頭的孔附近的孔。
[0022]在第一方面的一個實施例中，該系統(tǒng)還包括:用于容納材料的儲集器，儲集器分別流體地聯(lián)接到打印頭中的微流體通道。
[0023]在第一方面的一個實施例中，打印頭還包括用于接收來自儲集器的材料的至少兩個入口，入口中每一個與相應微流體通道和相應儲集器成流體連通。
[0024]在第一方面的一個實施例中，分配裝置包括壓力控制單元。
[0025]在第一方面的一個實施例中，射流開關(guān)包括閥。
[0026]在第一方面的一個實施例中，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]在第一方面的一個實施例中，打印頭包括兩個第二通道，第二通道中每一個適于傳送相應水凝膠，兩個第二通道在第二交點相交并且在第二交點結(jié)合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交點。
[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。在一個實施例中，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向至孔；以及，射流開關(guān)，每個射流開關(guān)對應于打印頭中的微流體通道之一并且被構(gòu)造成當致動時允許或不允許打印頭中的微流體通道中的流體流動。在一個實施例中，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]在第二方面的一個實施例中，流體移除特征包括真空，真空用于將過量鞘流體從接收表面或者穿過接收表面抽走和/或從接收表面上分配的水凝膠抽走。
[0030]在第二方面的一個實施例中，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量鞘流體從孔隙通過。
[0031]在第二方面的一個實施例中，真空在多孔性膜的下方施加。在第二方面的一個實施例中，真空施加于接收表面上方。
[0032]在第二方面的一個實施例中，通過設(shè)置于打印頭上的一個或多個真空通道來施加真空，一個或多個真空通道具有位于打印頭的孔附近的孔。
[0033]在第二方面的一個實施例中，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量鞘流體。
[0034]在第二方面的一個實施例中，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]在第二方面的一個實施例中，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]在第二方面的一個實施例中，打印頭包括:一個或多個第一通道，其用于接收和導向鞘流體，以及用于接收和導向水凝膠的一個或多個相應第二通道，第二通道在第一交點與第一通道相交，第二通道和第一通道在第一交點結(jié)合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到該孔。
[0037]在第二方面的一個實施例中，打印頭包括兩個第二通道，第二通道中每一個適于傳送相應水凝膠，兩個第二通道在第二交點相交并且在第二交點結(jié)合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交點。
[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，打印機包括: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。在一個實施例中，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，在一個或多個時間點，移除由打印頭孔分配的過量鞘流體。
[0039]在第三方面的一個實施例中，鞘流體包括適合于在與水凝膠接觸時使水凝膠交聯(lián)和凝固的交聯(lián)劑，接觸形成水凝膠纖維。
[0040]在第三方面的一個實施例中，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]在第三方面的一個實施例中，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持續(xù)地移除過量鞘流體。
[0042]在第三方面的一個實施例中，移除步驟在沉積步驟之間和/或與沉積步驟同時間歇地執(zhí)行，從而在沉積分配材料層時間歇地移除過量鞘流體。
[0043]在第三方面的一個實施例中，一種或多種水凝膠適于支持分散于其中的活體細胞的生長和/或增殖。
【附圖說明】
[0044]參考附圖，在下文的詳細描述中，本發(fā)明的特點將變得更加顯然，在附圖中:
[0045]圖1是本發(fā)明的打印系統(tǒng)的一個實施例的透視圖。
[0046]圖2是軟件設(shè)計的物體和使用本發(fā)明的打印系統(tǒng)的一個實施例打印的相對應物體的透視圖。
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