本申请涉及经由动态光学投影的无分层生物打印及其用途。一种用于3D微制造的系统和方法，该用于3D微制造的系统和方法将能够引发光聚合的光朝向一个空间光调制器投影，该空间光调制器调制响应于对应于结构的层的数字掩模的光。投影光学器件将该调制光聚焦在支持于一个载物台上的一种可光聚合材料内的一个光学平面上。一种计算机控制器使得该空间光调制器投影出对应于这些数字掩模的一种图像序列，同时协调该载物台的移动以移动该光学平面在该可光聚合材料内的位置以依序投影出该序列的每个图像从而通过逐渐地光聚合该可光聚合材料产生该结构。
Non layered bioprinting via dynamic optical projection and its application
【技术实现步骤摘要】
经由动态光学投影的无分层生物打印及其用途本申请是申请日为2015年5月20日，申请号为201580035735.0，专利技术名称为“经由动态光学投影的无分层生物打印及其用途”的申请的分案申请。相关申请本申请要求2014年5月20日提交的美国临时申请号62/001,025的权益，该临时申请通过引用以其全文结合在此。专利
本专利技术涉及一种用于微制造光聚合物的三维结构和用于制造具有平滑(无分层)轮廓的生物支架的方法。专利技术背景传统的细胞培养通常在培养皿中进行，并且更普遍使用的细胞生物技术依赖于培养的细胞在2D平台上的使用。众所周知，细胞基底的机械特性影响细胞的分化、生长和能动性。因此，当设计细胞支架时，材料的机械特性是重要考虑的。为了模拟实际的细胞环境，有必要使用3D生物制造方法而非2D图案化方法创建3D功能组织模型。此外，制造过程和/或材料必须是细胞友好型的。用于生物支架的目前制造系统利用了诸如生物喷墨打印和光栅激光投影的方法，这些方法在可扩缩性和速度方面是受限的，并且不能创建复杂结构和可扩缩的组织构建体。浇铸方法可以实现基本几何结构，但不能复制具有复杂仿生特征和纵横比的复杂3D几何结构。激光微光固化快速成型(激光-μSL)技术已因它们创建3D支架的能力而变得流行[马皮力(Mapili)等人，2005；甘赛尔(Gansel)等人，2009]。然而，使用激光-μSL的支架制造通常由于逐点的激光扫描而较慢。许多现有的逐层式光固化快速成型方法的特征不在于动态变化的掩模和同时发生的载物台移动，并且因此产生不希望的层伪影(artifacts)，这些层伪影可以改变细胞应答并且不反映出真实的天然生理学。一种已被碳3D公司(Carbon3D,Inc.)(雷德伍德城(RedwoodCity)，加利福尼亚州(CA))商业化用于浸没式打印聚合物纳米结构的方法涉及将图像投影通过液体树脂贮存池的透明底板，同时当树脂固化在基底的底部上时逐渐地将浸没的基底抬离底板。池的透氧透明底板使得溶解氧的“死区”抑制池底板处的聚合。碳3D系统中使用的技术描述在授予约瑟夫·德西蒙尼(JosephM.DeSimon)等人的许多美国专利(公布的和等待审批的)中，包括号8,263,129，该专利通过引用结合在此。碳3D系统的贮存池和基底保持静止，其中仅浸没的基底在z轴线内移动以在打印行进时将打印的对象抬离底板，这限制了可以创建的形状的多样性。此外，技术对浸没的依赖性限制了可以使用的材料的类型和组合。常规的光固化快速成型方法并不非常适于复杂的细胞支持性3D微结构的高通量制造，特别是在生命科学中普遍使用的基底诸如多孔板内尤其如此。这些缺点严重限制了3D打印细胞培养方法的广泛采用，因为研究者常常依赖于被配置成与已建立的实验工作流程成为一体的普遍使用的实验仪器接口的产品。多孔细胞培养板(除显微载片、培养皿、细胞培养烧瓶等之外)常常用作在上面设计专门培养环境的事实标准。在多孔板内，许多3D水凝胶细胞培养平台特征在于生物相容性和/或生物衍生的材料，这些材料是已聚合的或以其他方式制造的，但是典型地作为非图案化的体结构。类似地，还在多孔或标准显微载玻片形式上开发了具有集成的微流体或多电极阵列的高通量细胞培养系统。能够直接打印到多孔板中的商业3D生物打印机可以从许多公司购得，包括来自AdvancedSolutions公司(路易斯维尔(Louisville)，肯塔基州(KY)，美国(US))的BioAssemblyBotTM生物打印机、来自Cyfuse生物医学公司(东京(Tokyo)，日本(JP))的生物打印机、以及来自Invetech公司(墨尔本(Melbourne)，澳大利亚(AU))的NovoGenMMXTM生物打印机。这些系统使用光栅扫描方法(即“喷墨样”)经由生物材料的挤出来制造3D构建体，并且因此遭受可扩缩性、分辨率以及材料选择方面上的固有局限性。高度限定的3D细胞培养微环境可以用于宽范围的生理情境中，包括体外的神经元培养。研究分离的神经培养物的目标是检验并探查可以代表生理相关模型的简单的体外系统。分离的神经培养物是神经科学研究的基石，但是它们反映天然生理学的实用性由于它们固有的不确定的连通性而受限。虽然详述单层神经元的功能的大量神经生理学数据广泛可得，但是用于这些培养物的条件与天然组织中存在的条件是显著不同的。因此，可合理地假定2D培养物的行为不是体内神经生理学的复杂系统的良好代表。近期工作证明，与2D培养物中生长的神经网络相比，具有掺入的神经胶质的3D支架中生长的神经元提供了显著的形态学和电生理学差异。这归因于以下事实：3D神经支架更类似于体内存在的复杂神经环境。神经回路的体外复制可以有助于说明神经环境的基本部分并且有利于对较高水平的过程有影响的连通性模型的测试。此外，当针对体外疾病模型而采用患者特异性诱导性多能干细胞(iPSC)时，控制神经群体的功能排布可能对重建相对于病理性神经回路的正常神经回路是关键的。用于神经元图案化的常规装置常常限制于2D情境并且使用未反映出天然机械化学特性的基底。另一方面，产生软的3D支架的方法可能是昂贵、费时或受限于简单的几何特征的。考虑到目前平台的局限性，需要建立用于在更具有生理代表性的软的3D环境中确定性地控制和系统性地调查基本神经回路的网络动态的高通量装置。针对系统性增加的复杂度将简化的神经回路工程化成具有适应性提供了用于研究神经布线(wiring)和功能连通性的有吸引力的模型。经由体外的表面微电极阵列的电流高密度记录和刺激提供了关于网络状态的丰富信息，并且鉴于它的高通量性质，体外模型的实用性还延伸至药物筛选。培养神经元和导向神经生长的近期创新对网络连通性、细胞密度以及神经表型提供一些控制以便实现网络的某种次序和简明性。值得注意地，其中神经元生长在水凝胶支架(具有至少10个细胞直径的厚度)内的3D培养的出现已经用于通过以下项解决了2D模型的局限性：1)维持更相关的细胞-细胞/细胞-基质相互作用，2)使神经元免受培养基pH变化的影响，3)采用比2D培养中的硬基底更反映出天然生理学的机械上较软的界面，以及4)为生长和迁移提供了高表面积。因此，3D构建体对分离的神经网络的研究进展和生理相关的“大脑芯片(brain-on-a-chip)”系统的发展是必要的。此领域的新进展证明了在3D支架中维持神经元数周同时导向神经生长呈可控的几何图案的可能性。然而，在以下方面仍存在挑战：1)在记录和刺激方面实现高空间分辨率和高密度，2)简化昂贵且费力的制造技术，以及3)产生神经元和神经胶质的非均质共培养物，已证明这对神经元的正常功能是关键的。专利技术的简要概述在一个示例性实施例中，提供了一种用于快速产生具有高度指定的3D几何结构的聚合物支架的方法和系统。本专利技术的生物制造方法在此称之为“经由动态光学投影的无分层3D打印”或“L3PDOP”。本专利技术的L3PDOP3D打印系统和方法可以接收包括一种3D计算机产生的模型的一个输入并且由此模型产生具有高分辨率的多种可光聚合材料的结构。本专利技术的3D打印系统使用一种动态控本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于一种结构的3D微制造的系统，包括：/n一个光源，该光源被配置成用于将光投影在一条光学路径内，该光源发射被配置成用于引发光聚合的一种波长下的光；/n一个空间光调制器，该空间光调制器设置在该光学路径内并且被配置成响应于对应于该结构的层的一组数字掩模来调制来自该光源的光；/n投影光学器件，这些投影光学器件被配置成用于将该调制光聚焦至一个光学平面；/n一个载物台，该载物台被配置成用于支持与该光学平面内的可光聚合材料接触的一个基底，其中该载物台被配置成沿至少一个轴线移动；以及/n一个计算机处理器，该计算机处理器可操作用于：/n控制该空间光调制器以投影出对应于该组数字掩模的一种图像序列；以及/n协调该载物台的移动以移动该光学平面在该可光聚合材料内的位置以依序投影出该序列的每个图像，从而通过沿该至少一个轴线逐渐地光聚合该可光聚合材料产生该结构。/n
【技术特征摘要】
20140520 US 62/001,0251.一种用于一种结构的3D微制造的系统，包括：
一个光源，该光源被配置成用于将光投影在一条光学路径内，该光源发射被配置成用于引发光聚合的一种波长下的光；
一个空间光调制器，该空间光调制器设置在该光学路径内并且被配置成响应于对应于该结构的层的一组数字掩模来调制来自该光源的光；
投影光学器件，这些投影光学器件被配置成用于将该调制光聚焦至一个光学平面；
一个载物台，该载物台被配置成用于支持与该光学平面内的可光聚合材料接触的一个基底，其中该载物台被配置成沿至少一个轴线移动；以及
一个计算机处理器，该计算机处理器可操作用于：
控制该空间光调制器以投影出对应于该组数字掩模的一种图像序列；以及
协调该载物台的移动以移动该光学平面在该可光聚合材料内的位置以依序投影出该序列的每个图像，从而通过沿该至少一个轴线逐渐地光聚合该可光聚合材料产生该结构。
2.如权利要求1所述的系统，其中该空间光调制器包括一种数字微镜设备。
3.如权利要求1所述的系统，其中该可光聚合材料是包含在一个...
【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·钟，瞿鑫，张阿平，陈绍琛，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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