用于3D打印的水凝胶材料的方法和装置制造方法及图纸

提供了用于物体的3D打印的3D打印系统、方法和材料，所述材料包括固化的水凝胶材料、未固化的水凝胶材料和载体材料。固化的水凝胶材料可限定用于器官或其它生物结构的支架。该3D打印系统选择性地沉积水凝胶材料和载体材料、干燥水凝胶材料和选择性地将催化剂施加至水凝胶材料，以选择性地固化水凝胶材料。一旦3D打印已完成，可排出未固化的水凝胶材料并可使载体材料熔融或溶解，留下固化的水凝胶材料的支架，可用所需器官或生物结构的活细胞对其进行输注。

Method and device of hydrogel material for 3D printing

A 3D printing system, method and material for 3D printing of objects are provided. The material includes cured hydrogel material, uncured hydrogel material and carrier material. Solidified hydrogel materials can be limited to scaffolds for organs or other biological structures. The 3D printing system selectively selects hydrogel materials and carrier materials, dry hydrogel materials and selectively applies catalysts to hydrogel materials to selectively solidify hydrogel materials. Once the 3D printing is completed, the uncured hydrogel material can be discharged and the carrier material can be melted or dissolved, leaving a scaffold of the solidified hydrogel material, which can be transfused by living cells of the required organs or biological structures.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3D打印的水凝胶材料的方法和装置相关申请的交叉引用本申请依据35U.S.C.§119对2016年1月28日提交的美国临时专利申请序列号62/288,043要求优先权，其通过引用以其全部并入本文。专利
本专利技术涉及水凝胶材料的3D打印，且更具体涉及后续可用活细胞输注的支架的3D打印。专利技术背景对功能性生物结构(例如肺和其它器官)存在着需求，并且迄今为止对于3D打印此类结构或支架的尝试尚不充分。专利技术简述通过提供用于产生3D打印的水凝胶材料支架的3D打印系统、方法和材料，本专利技术的各种实施方案致力于以上需求并实现其它优点。在本专利技术的一种实施方案中，3D打印系统包括：(a)平台，在3D打印过程期间其上可承载3D打印的物体；(b)打印部分，其选择性地在平台上沉积一种或更多种水凝胶材料和载体材料；(c)干燥器部分，其包括干燥器并且平台可经过干燥器部分，以干燥平台上的材料的至少一部分；和(d)引发部分，其包括催化剂源，该催化剂源选择性地将催化剂施加至平台上的材料，以在水凝胶材料的至少一部分中引起反应，其中将催化剂选择性地施加至平台上的一些但非全部的暴露的水凝胶材料。进一步的实施方案包括通过以下步骤来3D打印3D物体的方法：(a)在平台上选择性地沉积水凝胶材料层和载体材料；(b)干燥水凝胶材料层的至少一部分；(c)选择性地将催化剂施加至水凝胶材料层的至少一部分；和(d)重复针对3D打印的物体的多个层的沉积、干燥和施加。仍进一步的实施方案包括3D打印的物体，其包括支架部分，其包括固化的水凝胶材料；在支架部分中的通道，其包括未固化的水凝胶材料；以及载体结构，其包括载体材料。可将未固化的水凝胶从固化的水凝胶材料中除去，以在支架内提供通道，并可将载体材料从支架中除去。因此，本专利技术的各种实施方案提供了对于可用活细胞输注以提供有生存力的生物结构的支架的结构、可制造性和性能的改善。可使用本专利技术的3D打印系统、方法和材料来制备还有其它的3D打印的物体。附图的若干视图的简述已经如此概括地描述了本专利技术，现在将参考附图，其不必需按比例绘制，并且意在例示而非限制，其中：图1是根据本专利技术的一种实施方案的3D打印系统的示意性侧视图，其中包在载体材料中的3D打印的支架示于高分辨率成像区域与喷墨打印区域之间的干燥区域中。专利技术详述现在将参考附图在下文中更加充分地描述本专利技术，在附图中显示了本专利技术的一些但非全部的实施方案。实际上，本专利技术可按许多不同的形式来体现，并且不应被解释为局限于本文中所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案以致本公开将满足适用的法律要求。虽然针对生物结构(包括器官、皮肤组织等等)的支架的特定类型在附图中描述并显示了用于提供3D打印的水凝胶结构的装置和方法，但是设想各种装置和方法的功能性可应用于其中期望提供3D打印的水凝胶物体的任何现在已知的或今后设计的3D打印技术和材料。通篇中相同的数字指代相同的元素。参考图1，例示了根据本专利技术的一种实施方案的3D打印系统10。3D打印系统10包括喷墨打印区域16，其在本例示实施方案中与本领域已知的固体沉积成型(SDM)或多喷嘴成型(MJM)系统(例如美国专利第6,136,252、6,270,335、6,305,769、6,347,257和6,841,116号，其公开内容通过引用以其全部并入本文)类似。平台12在一个或更多个喷墨打印头24下方移动，自喷墨打印头24沉积水凝胶材料并沉积载体材料，以形成一层3D打印的物体14，3D打印的物体14在图1中包括支架和载体。基于由控制器基于表示待产生的3D打印的物体14的设计数据而提供的指令来选择性地沉积材料。控制器使用设计数据来指导打印头沉积水凝胶材料和载体材料中的每一种。本专利技术的某些实施方案的一个或更多个喷墨打印头24包括多个第一孔（afirstpluralityoforifices）和多个第二孔（asecondpluralityoforifices），通过多个第一孔可将一种或更多种水凝胶材料选择性地沉积在平台上，通过多个第二孔可将载体材料选择性地沉积在平台上。各材料的单独小滴的位置基于表示3D打印的物体的设计数据。在一些实施方案中，可选择性地沉积两种或更多种水凝胶材料。在水凝胶和载体材料的沉积期间，或者在部分层、完全层之后，或者在多个层之后，平台12在平坦化装置(planarizer)26下方移动，该平坦化装置26在本例示实施方案中是SDM/MJM技术中所用类型的加热辊。平坦化装置除去过量的沉积材料，以确保在进一步沉积水凝胶和/或载体材料之前，或在平台12移动至干燥区域18之前的层厚度是正确的。一些实施方案中的水凝胶材料是I型或II型胶原(在某些优选的实施方案中使用I型)或形成用于所得3D打印的物体(例如支架)的原材料的类似材料。另外或替代地，水凝胶材料可为原纤蛋白，例如原纤维性的（Fibrillar）(优选I、II、III、V、XI型)、任何非原纤维性的（non-Fibrillar）；或弹性蛋白。在某些实施方案中使用弹性蛋白，以为所得3D打印的物体提供弹性。本专利技术的仍进一步的实施方案使用水凝胶PEG-藻酸盐(单独的或作为增强材料)，添加或不添加CaSO4•2H2O，以及引发剂I-2959，如由Hong,Sungmin等人于2015年在AdvancedMaterials(先进材料)上发表的题为“3DPrintingofHighlyStretchableandToughHydrogelsintoComplex,CellularStructures(高度可拉伸且坚韧的水凝胶3D打印成复杂的、多孔的结构)”的文章中所公开的，该文章的公开内容通过引用以其全部并入本文。本专利技术的进一步的实施方案使用本领域中已知的或今后设计的替代水凝胶。针对特定的3D打印的物体14选择的特别水凝胶基于一个或更多个参数，所述参数包括但不限于水凝胶的物理性质(遵循3D打印方法和某些后处理)、以及水凝胶经历光引发而不增加或引起细胞毒性的能力、或将使得所得支架或其它物体不适于预期目的或者要求相对大量的后处理以降低或消除细胞毒性的其它性质。本专利技术的一些实施方案中的水凝胶包括引发剂，其由如下文所解释的光化辐射(催化剂)活化。将一种或更多种水凝胶材料溶解到水中，以便水凝胶可通过本例示实施方案的喷墨打印头喷射。在一些实施方案中，将水凝胶材料以大约30:1的比率溶解在水中。本专利技术的进一步的实施方案使用替代的水凝胶材料与水的比率，以便于实现从特定的喷墨打印头或其它沉积装置喷射的必需粘度，例如在10.0至19.0厘泊范围内、或更优选在11.0至14.0厘泊范围内、且仍更优选在11.3和11.8厘泊范围内的粘度(在进一步的实施方案中，可包括粘度调节剂以实现所需粘度)。将水凝胶材料溶解到水中用于本专利技术的某些实施方案的至少以下两个目的：1)在水中稀释使得粘度能够足够低以用于喷墨打印，和2)当在干燥过程(见下文)期间提取过量的水时，层高度从大约25-30微米(喷墨打印层的典型高度)收缩至大约0.8-1微米，这是提供使某些生物结构有效所必需的支架精细度（detail）所要求的厚度(沿着z-轴)。本专利技术的一种实施方案包括可喷墨打印的水凝胶材料，其包括在大约3的pH下的乙酸中以及在含水溶液(30:1水)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于产生3D打印的物体的3D打印系统，所述3D打印系统包括：平台，在3D打印过程期间其上可承载所述3D打印的物体；打印部分，其选择性地在所述平台上沉积水凝胶材料和载体材料；干燥器部分，其包括干燥器并且所述平台可经过所述干燥器部分，以干燥所述平台上的所述材料的至少一部分；和引发部分，其包括催化剂源，所述催化剂源选择性地将催化剂施加至所述平台上的所述材料，以在所述水凝胶材料的至少一部分中引起反应，其中将所述催化剂选择性地施加至所述平台上的一些暴露的水凝胶材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.28 US 62/2880431.用于产生3D打印的物体的3D打印系统，所述3D打印系统包括：平台，在3D打印过程期间其上可承载所述3D打印的物体；打印部分，其选择性地在所述平台上沉积水凝胶材料和载体材料；干燥器部分，其包括干燥器并且所述平台可经过所述干燥器部分，以干燥所述平台上的所述材料的至少一部分；和引发部分，其包括催化剂源，所述催化剂源选择性地将催化剂施加至所述平台上的所述材料，以在所述水凝胶材料的至少一部分中引起反应，其中将所述催化剂选择性地施加至所述平台上的一些暴露的水凝胶材料。2.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述打印部分包括喷墨打印头，所述喷墨打印头包括多个第一孔和多个第二孔，通过所述多个第一孔可将所述水凝胶材料选择性地沉积在所述平台上，通过所述多个第二孔可将所述载体材料选择性地沉积在所述平台上。3.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述干燥器部分包括加热器、风扇和真空中的至少一种。4.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述引发部分包括光化辐射源。5.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述引发部分包括激光装置和数字镜装置(DMD/DLP)中的至少一种。6.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述引发部分包括催化剂施加装置，以在所述水凝胶材料上物理沉积催化剂。7.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述打印部分还包括平坦化装置，以从由所述平台承载的最上层材料中去除任何过量的水凝胶材料或载体材料。8.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述平台在x-方向、y-方向和z-方向中的至少两者上是可移动的。9.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述打印部分选择性地沉积两种或更多种水凝胶材料和所述载体材料。10.根据权利要求1所述的3D打印系统，其中所述3D打印的物体是用于生物结构的支架。11.用于产生3D打印的物体的方法，所述方法包括：在平台上选择性地沉积水凝胶材料层和载体材料；干燥所述水凝胶材料层的至少一部分；选择性地将催化剂施加至所述水凝胶材料层的至少一部分；和重复针对所述3D打印的物体的多个层的所述沉积、干燥和施加。12.根据权利要求11所述的方法，其还包括后处理所述3D打印的物体，以将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：CW赫尔，
申请(专利权)人：三D系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US