基于流体-流体界面的增材制造制造技术

本文描述了增材制造用嵌入式打印的系统和方法。将打印材料打印至支撑材料中。所述打印材料和所述支撑材料各自具有流体相和固体相。所述打印材料基于与所述支撑材料的流体‑流体相互作用而从流体相转变为固体相。可以调节所述支撑材料的一个以上的参数以使得在所述流体‑流体相互作用期间的所述打印材料进入所述支撑材料中的扩散率小于阀值。可以同时将多种打印材料打印至所述支撑材料中。

Additive manufacturing based on fluid fluid interface

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于流体-流体界面的增材制造优先权声明本申请在35U.S.C.§119(e)下要求2017年4月6日提交的美国专利申请序列号62/601,995和2017年9月28日提交的申请序列号62/606,581的优先权，其全部内容作为参考而引入。政府支持条款本专利技术在美国国立卫生研究院(NationalInstitutesofHealth)No.HL117750的政府支持下完成。政府对本专利技术享有特定的权利。
本申请涉及增材制造(additivemanufacturing)，特别是嵌入式打印。
技术介绍
增材制造可以用于创建三维物体或结构体。可以将材料打印到支撑支架中，所述支撑支架在组装期间临时支撑结构体。当组装完成时，除去支撑支架。
技术实现思路
本申请描述了用于增材制造的支撑材料和打印材料。称为悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入(FreeformReversibleEmbeddingofSuspendedHydrogels)(FRESH)的用于流体的增材制造的方法包括将流体材料(例如，藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白等)嵌入至包括固体相和流体相的易变的(fugitive)支撑材料(例如，包括浆料)中。支撑材料包括固体相和流体相。在一些实施方案中，固体相包含向支撑材料赋予宾汉塑性行为的明胶颗粒，其允许胶凝流体的沉积和支撑。流体相使明胶颗粒悬浮，并且其体积和组成先前已经示出影响支撑材料的流变性能。流体相的组成可以用于控制所嵌入的流体墨的胶凝行为。之前，已经将藻酸盐打印至具有含有钙阳离子的流体相的支撑材料中以促进藻酸盐凝胶化。扩展超出藻酸盐的初始用途，可以对流体相进行物理和化学改性以调节其它流体墨的凝胶化，最显著的是胶原蛋白的凝胶化。打印材料的流体相与支撑材料的流体相相互作用，形成流体-流体界面。用于调节墨的胶凝行为的在支撑材料和所嵌入的水凝胶墨之间的流体-流体界面允许FRESH的用途扩展至如纤维蛋白、胶原蛋白和基质胶等有机聚合物以及包括环氧树脂、橡胶和粘剂的合成聚合物二者。下文描述的体系包括：支撑材料，所述支撑材料构成为响应于经受应力而从第一固体相转变至第一流体相；和嵌入在所述支撑材料中的打印材料，所述打印材料构成为通过所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相。在一些实施方案中，所述支撑材料为碱性并且所述打印材料为酸性，并且其中所述支撑材料的转变包括在所述打印材料和所述支撑材料的流体-流体相互作用期间的所述打印材料的中和。在一些实施方案中，所述打印材料包含胶原蛋白、明胶和藻酸盐中的至少一种。在一些实施方案中，所述打印材料包含含有在约60～80微米之间的直径的线料(strand)。在一些实施方案中，所述打印材料为第一打印材料，并且其中所述体系包括第二打印材料，所述第二打印材料形成包围(encases)所述第一打印材料的网络(mesh)，所述网络构成为当将所述支撑材料从所述第一打印材料中除去时支撑所述第一打印材料的几何结构。在一些实施方案中，所述第一打印材料包含胶原蛋白，其中所述第二打印材料包含藻酸盐，并且其中所述支撑材料包含钙。在一些实施方案中，将所述打印材料构成为允许细胞渗透至通过从所述打印材料中除去所述凝胶颗粒而形成的空隙中。所述支撑材料包含凝聚体浆料(coacervateslurry)。在一些实施方案中，所述支撑材料包含凝胶颗粒，所述凝胶颗粒通过调节所述支撑材料的盐浓度而形成，其中将所述凝胶颗粒与所述打印材料混合。在本申请中描述的该方法包括：在构成为在第一固体相和第一流体相之间转变的支撑材料内移动注入器；通过所述注入器使所述支撑材料的一部分从所述第一固体相变为所述第一流体相；将打印材料注入至所述支撑材料中；基于在所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用，所述打印材料在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相；和将支撑材料从所述打印材料中除去。在一些实施方案中，所述方法包括将所述打印材料酸化；和将所述支撑材料碱化，其中所述支撑材料的转变包括在所述打印材料和所述支撑材料的流体-流体相互作用期间的所述打印材料的中和。在一些实施方案中，所述方法包括通过控制所述支撑材料的pH来控制在所述第二固体相中所述打印材料的纳米结构。在一些实施方案中，所述打印材料包含胶原蛋白、明胶和藻酸盐中的至少一种。在一些实施方案中，所述方法包括：选择所述支撑材料的参数；和基于所述打印材料的种类来调节所述支撑材料的参数的值，所述参数的值构成为相对于当没有调节所述参数的值时在所述流体-流体相互作用期间所述打印材料从所述第二流体相向所述第二固体相的转变速率，提高在所述流体-流体相互作用期间所述打印材料从所述第二流体相向所述第二固体相的转变速率。在一些实施方案中，所述支撑材料的参数包括流体相组成、pH、离子强度、缓冲能力和酶活性中的一种。在一些实施方案中，所述方法包括：选择所述支撑材料的参数；和基于所述打印材料的种类来调节所述支撑材料的参数的值，所述参数的值构成为相对于当没有调节所述参数的值时在所述流体-流体相互作用期间所述打印材料向所述支撑材料中的扩散率，降低在所述流体-流体相互作用期间所述打印材料向所述支撑材料中的扩散率。在一些实施方案中，所述支撑材料的参数包括流体相组成、pH、离子强度、缓冲能力和酶活性中的一种。在一些实施方案中，所述方法包括：在所述注入期间将所述支撑材料混合入所述打印材料中，其中除去所述支撑材料引起在所述打印材料的第二固体相中的一个以上的空隙。在一些实施方案中，将所述支撑材料混合入所述打印材料中包括控制所述支撑材料的盐浓度以使得凝胶颗粒在所述支撑材料中形成，其中所述凝胶颗粒在所述流体-流体相互作用期间与所述打印材料混合。在一些实施方案中，所述打印材料的第二固体相包含平均直径在约60～80微米之间的胶原蛋白线料。在一些实施方案中，所述打印材料包括第一打印材料，所述方法包括：基于所述第一打印材料的种类和第二打印材料的种类来改性所述支撑材料；和将所述第一打印材料和所述第二打印材料注入至所述支撑材料中。在一些实施方案中，所述第一打印材料包含胶原蛋白，其中所述第二打印材料包含藻酸盐，其中所述支撑材料包含钙阳离子。在一些实施方案中，打印系统包括：注入器；凝聚性明胶支撑浴，其包含盐浓度高于20g/L的NaCl和阿拉伯树胶，所述明胶支撑浴的pH高于8并且构成为响应于经受高于屈服应力阀值的应力而从第一固体相转变为第一流体相；和构成为通过所述注入器注入至所述支撑材料中的胶原蛋白和藻酸盐，其中所述胶原蛋白和所述藻酸盐各自具有低于6的pH，其中所述胶原蛋白和所述藻酸盐各自构成为在所述凝聚性明胶支撑浴中凝胶化，并且其中在凝胶化期间，所述明胶和所述藻酸盐各自向所述支撑浴中扩散小于10％。在附图和下文的描述中陈述了一个以上的实施方案的详情。从说明书和附图以及从权利要求书中，其它特征、目的和优点是显而易见的。附图说明图1示出打印系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种体系，其包括：/n支撑材料，所述支撑材料构成为响应于经受应力而从第一固体相转变至第一流体相；和/n嵌入在所述支撑材料中的打印材料，所述打印材料构成为通过所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170406 US 62/601,995;20170928 US 62/606,5811.一种体系，其包括：
支撑材料，所述支撑材料构成为响应于经受应力而从第一固体相转变至第一流体相；和
嵌入在所述支撑材料中的打印材料，所述打印材料构成为通过所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相。


2.根据权利要求1所述的体系，其中所述支撑材料为碱性并且其中所述打印材料为酸性，并且其中所述支撑材料的转变包括在所述打印材料和所述支撑材料的流体-流体相互作用期间的所述打印材料的中和。


3.根据权利要求1所述的体系，其中所述打印材料包含胶原蛋白、明胶和藻酸盐中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的体系，其中所述打印材料包含含有在约60～80微米之间的直径的线料。


5.根据权利要求1所述的体系，其中所述打印材料为第一打印材料，并且其中所述体系包括第二打印材料，所述第二打印材料形成包围所述第一打印材料的网络，所述网络构成为当将所述支撑材料从所述第一打印材料中除去时支撑所述第一打印材料的几何结构。


6.根据权利要求5所述的体系，其中所述第一打印材料包含胶原蛋白，其中所述第二打印材料包含藻酸盐，并且其中所述支撑材料包含钙。


7.根据权利要求1所述的体系，其中所述支撑材料包含凝胶颗粒，所述凝胶颗粒通过调节所述支撑材料的盐浓度而形成，其中将所述凝胶颗粒与所述打印材料混合。


8.根据权利要求7所述的体系，其中所述打印材料构成为允许细胞渗透至通过从所述打印材料中除去所述凝胶颗粒而形成的空隙中。


9.根据权利要求1所述的体系，其中所述支撑材料包含凝聚体浆料。


10.一种增材制造的方法，其包括：
在构成为在第一固体相和第一流体相之间转变的支撑材料内移动注入器；
通过所述注入器使所述支撑材料的一部分从所述第一固体相变为所述第一流体相；
将打印材料注入至所述支撑材料中，
基于在所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用，所述打印材料在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相；和
将所述支撑材料从所述打印材料中除去。


11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
将所述打印材料酸化；和
将所述支撑材料碱化；
其中所述支撑材料的转变包括在所述打印材料和所述支撑材料的流体-流体相互作用期间的所述打印材料的中和。


12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
通过控制所述支撑材料的pH来控制在所述第二固体相中打印材料的纳米结构。


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【专利技术属性】
技术研发人员：A·哈德森，A·费因伯格，A·李，T·辛顿，
申请(专利权)人：卡内基梅隆大学，
类型：发明
国别省市：美国;US