用于液相中三维增材制造的方法、系统和设备技术方案

本发明专利技术公开了一种通过3D打印制造结构的方法，所述方法包括以下步骤：在平台(8)上挤出聚合物以形成所述结构，其特征在于，在液相(12)中挤出所述聚合物，并且形成所述结构，以及其中配制所述液相以修改正在制造的结构。

Method, system and equipment for three-dimensional incremental manufacturing in liquid phase

The present invention discloses a method of printing a manufacturing structure through a 3D. The method comprises the following steps: extruding a polymer on a platform (8) to form the structure, which is characterized by extruding the polymer in a liquid phase (12) and forming the structure, and in which the liquid phase is prepared to modify the structure being made.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于液相中三维增材制造的方法、系统和设备
本专利技术涉及用于材料沉积的方法、系统和设备。本专利技术尤其涉及用于制造三维结构的方法、系统和设备。
技术介绍
三维(3D)打印是涉及逐层沉积材料以创建3D对象的增材工艺。这种增材工艺可以通过多种方法完成，包括颗粒材料沉积(通常通过激光烧结将颗粒的初始沉积熔合成层，然后降低并进一步构建)、光聚合(大量(avatof)UV-反应液体暴露于受控照明下，使液体硬化并形成构建成模型的层)和挤出沉积(通过挤出机开口挤出材料到表面上)。3D打印应用在许多行业，创建结构的尺寸从微米级到米级。熔融丝制造，也称为挤出沉积3D打印，其涉及通过沉积立即融合成固体物质的小颗粒或小珠来制造模型。在大多数情况下，打印机包含X、Y和Z载台(stage)。X和Y载台由步进电机独立控制，将挤出机头定位在X和Y轴的平台上。Z载台控制挤出机在Z轴或正在创建的结构的平台上的位置。降低该平台允许将连续的层添加到生长的结构中。相反，挤出机可以升起。打印机加热挤出机，温度取决于所使用的材料。US2015057786描述了一种3D打印机设备及其使用方法，用于打印制造组织和器官的3D结构。打印机设备包括用于将润湿剂施加到以下一个或多个上的构件：打印机载台；接收表面、沉积孔、生物墨水、支撑材料或打印结构。润湿剂可以是水、组织培养基、缓冲盐溶液、血清或其组合。润湿剂与由生物打印机分配的生物墨水或支撑材料同时或基本上同时或在此之前施用。WO2014/194180也描述了一种打印方法，以及用于将细胞放置在表面上的装置，其包括：细胞单层或生物材料表面；一个或多个打印机尖端；用于保持所述一个或多个打印机尖端的盒；以及三轴运动控制系统，所述三轴运动控制系统构造成相对于所述细胞单层或生物材料表面在三维中移动所述盒。还描述了执行它的打印平台。WO2014/194180也似乎描述了当将打印机尖端放置在水性膜下时使用打印机构建构造物。WO2015/017421似乎公开了一种使用3D打印制造比如生物组织或组织工程支架的结构的方法，其中打印方法包括制造组织支架的支撑浴，其也提供二价阳离子用于交联打印材料。此外，在EP1517778B中讨论了在用于产生快速成型的方法中交联剂的使用浓度；而DE102012100859A公开了一种用于产生和打印含有活细胞的3D结构的方法，其可以包括在高密度液体中打印。WO216/019435似乎公开了一种增材制造装置，其包括沉积头以将第一材料挤出到容纳第二材料的储存器中，其中被制造的物体的至少一部分浸没在第二材料中。此外，第二材料(流体)可以从储存器再循环并返回。该文献似乎也公开了储存器受温度控制，并且不同的流体可以在挤出机内混合。(i)US2015057786，(ii)WO2014/194180，(iii)WO2015/017421，(iv)EP1517778和(v)DE102012100859中描述的3D打印机和方法相关的问题在于它是不可能通过自由操纵制造环境来影响或控制所制造的结构。在(i)中，使用润湿剂是为了减少打印过程中的蒸发；在(ii)中所述方法是为细胞在表面上的沉积提供合适的条件；对于(iii)通常通过化学处理去除支撑浴并导致打印机堵塞；(iv)该方法讨论了创建聚合物并添加染料以改变颜色；(v)该方法涉及挤压成为结构提供支撑的稠密液体，而不是改变结构的性质。WO2016/019435的装置的问题在于，该方法涉及挤出成具有为正在制造的结构提供支撑的密度的液体，而不是改变结构本身的性质。该方法仅使用一种溶液，该溶液可循环使用以保持溶液的水平，以便可以淹没最后打印的图层。本专利技术的目的是克服至少一个上述问题。
技术实现思路
为了解决当前3D打印机的问题，申请人开发出了能够使可扩展(scalable)技术平台制造可重现的器官特异性生物相容性3D生物聚合物水凝胶(例如海藻酸盐、胶原、壳聚糖、纤维蛋白等)的3D打印机。本文所述的3D打印机将使用户能够创建例如用于干细胞生物学的干细胞生态位(niches)，并且对于设计更好的药物筛选模型、使用更少的动物和开发用于基因组以外的个人药物的方法具有广泛的意义。具有进一步扩展到柔性电子器件、生物传感器等等的潜力。所述方法基于具有多种注射器能力的传统喷嘴注射以便在空气或液体中打印不同的材料，包括用于例如血管化的细胞和管。本文所述的方法的主要优点在于，在液体环境中打印使用户能够调整材料的特性——以微米分辨率实时调整打印的物理、化学和生物功能特性——以便将可重现的微型组织打印到各种容器中，包括陪替氏培养皿(petridishes)或细胞培养皿，以及与许多生物医学鉴定工具兼容的多孔板(12、24、36、48、72、96等)。此外，本专利技术的打印机是温度可控的流体交换系统，由于可以实时地修改(modify)液体(例如，温度、pH值、离子、染料、交联剂、药物、生长因子、酶、细胞外基质成分)，其提供了无限范围的打印可能性。此外，它允许在打印过程中调整最佳细胞恢复和生长的环境。3D打印可以进一步与微接触光刻相结合，以提高分辨率并增加化学功能，使用模具、图章等。打印机占地面积经过设计，可以将其放置在层流罩内，因此可以很容易地整合到细胞培养实验室中，或者可以通过定制外壳进行制造和销售。本文所述的3D打印机还可能为复杂的分级器官型组织创建精确的多材料支架。根据本专利技术，如所附权利要求所述，提供了一种用于3D打印机的流体交换系统(1)，所述流体交换系统(1)包括：适用于支撑液相(12)的平台(8)，用于打印至少一种聚合物的挤出机(2)，用于将流体输送到平台(8)的至少一个流入口(7)；用于从平台(8)中移除流体的至少一个流出口(9)；和至少一个储存器(40)，以将流体供应到平台(8)以创建液相(12)。根据本专利技术，如所附权利要求所述，提供了一种流体交换系统(1)，其用于根据下述方法通过3D打印制造结构的方法中，所述流体交换系统(1)包括：适用于支撑液相(12)的平台(8)，用于打印至少一种聚合物的挤出机(2)，用于将流体输送到平台(8)的至少一个流入口(7)；用于从平台(8)中移除流体的至少一个流出口(9)；和至少一个储存器(40)，以将流体供应到平台(8)以创建液相(12)。优选地，平台是温度调节的。优选地，平台可以加热到包括(inclusive)10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃和160℃。优选地，平台可以从室温冷却至10℃。优选地，至少一种聚合物和流体可以同时输送到液相。优选地，挤出机还包括另外的流入管，用于在液相挤出之前输送第二聚合物或另外的流体以与至少一种聚合物混合。优选地，可以进一步调节液相的至少一个参数以控制打印的聚合物的物理、生物功能、化学和/或机械性能。更优选地，液相的至少一个参数选自温度、pH、离子浓度、染料、交联剂、药物、生长因子、酶、细胞外基质组分或细胞。优选地，受控聚合物的物理性质选自粘度、刚度、模量、机械性能、弹性、粘弹性、硬度、润滑性、溶胀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过3D打印制造结构的方法，所述方法包括以下步骤：挤出至少一种聚合物以在平台上形成结构，其特征在于，在液相中挤出所述至少一种聚合物，并且形成所述结构，以及其中所述液相配置成通过在制造期间实时控制液相中的流体交换来修改正在制造的结构的物理、化学、机械和生物功能特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.09 GB 1519730.41.一种通过3D打印制造结构的方法，所述方法包括以下步骤：挤出至少一种聚合物以在平台上形成结构，其特征在于，在液相中挤出所述至少一种聚合物，并且形成所述结构，以及其中所述液相配置成通过在制造期间实时控制液相中的流体交换来修改正在制造的结构的物理、化学、机械和生物功能特性。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述液相包含在制造所述结构的平台区域内。3.根据权利要求1所述的方法，其中配制所述液相以包含选自缓冲液、细胞培养基、交联溶液、含有离子的水溶液、蛋白质、药物等的至少一种组分。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中通过主动替换或添加组分到所述液相以修改正在制造的结构可以实时修改所述液相的至少一个参数。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述参数选自温度、pH、离子浓度、染料、交联剂、药物、生长因子、酶、细胞外基质组分或细胞。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述液相可以通过添加原核细胞和/或真核细胞进一步修改。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中制造的结构选自水凝胶、生物功能组织、微组织、分级器官型组织、支架、生物材料、有机材料、复合材料、纳米材料、包封材料、药物递送颗粒、药物洗脱材料、染料、荧光标签、量子点、细胞、硅藻。8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中平台是能够适用于具有入口和出口的流体交换系统的容器、陪替氏培养皿、细胞培养皿、多孔板、载玻片或任何器皿。9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中平台的基部用牺牲启动裙预先调节。10.根据权利要求9所述的方法，其中平台还包括在其上打印所述牺牲启动裙的层或基部，所述层或基部由载璃片或板、塑料片、砂纸、滤纸、聚乳酸(PLA)、另外的陪替氏培养皿或细胞培养皿等组成。11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述聚合物选自以下一种或多种：单体、共聚物、均聚物、多聚物、天然或合成的，比如水凝胶、海藻酸盐、胶原、壳聚糖、纤维蛋白、聚(乙二醇)、合成水凝胶、透明质酸、嵌段共聚物。12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中挤出机还包含选自缓冲液、细胞培养基、交联溶液、含有离子的水溶液、蛋白质、药物等的溶液。13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中至少两种聚合物在挤出机中组合。14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中挤出机是注射器、具有柱塞的注射器、注射泵或其它合适的泵设备、药筒、管。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述挤出机是具有选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30的针规的注射器。16.根据权利要求1-15中任一项所述的方法，其中挤出机的开口的形状可以控制来自挤出机的打印物的形状。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述挤出机的开口的形状构造成打印选自实心管、空心管、星形挤出物、正方形、圆形、多边形的结构。18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，还包括提供用于控制将交联剂输送至所述液相或挤出机的构件。19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，还包括用于控制液相中的流体交换的构件。20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，还包括用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·罗德里格斯，E·雷诺，
申请(专利权)人：爱尔兰国立都柏林大学，
类型：发明
国别省市：爱尔兰,IE