СИСТЕМА И СПОСОБ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР
SYSTEM AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES ADDITIVE MANUFACTURING

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ ЗАЯВКИ
[0001] Эта заявка испрашивает приоритет согласно Парижской конвенции на основании заявки США номер 61/834,420, поданной 13 июня 2013 г., полное содержание которой включено в настоящее описание в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение относится в целом к трехмерной (3D) печати и созданию трехмерных биологических структур из цифровых файлов. В частности, изобретение относится к устройству, аппарату и способу изготовления нагруженных клетками гидрогелевых 3D-структур.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] 3D-печать - форма аддитивного производства (АП), представляющая собой процесс создания трехмерных объектов непосредственно из цифровых файлов. Программное обеспечение используется для разделения модели системы автоматизированного проектирования (CAD) или 3D-скана объекта на множество тонких поперечных слоев. Эта совокупность слоев отправляется в система АП, где система создает трехмерный объект слой за слоем. Каждый слой наносят поверх предыдущего слоя, пока объект не будет полностью построен. Вспомогательный материал может использоваться для поддержки нависающих и сложных элементов объекта. Существуют различные процессы АП, которые могут создавать детали из пластика, металла, керамики и/или биологических материалов.
[0004] Аддитивное производство может применяться в биологических системах. Например, до недавнего времени большинство исследований клеточных культур производились на 2-мерных (2D) поверхностях, таких как микро-луночные планшеты и чашки Петри. Тем не менее, двухмерные системы культур не имитируют трехмерную среду, в которой существуют клетки в естественных условиях. Исследователи обнаружили, что трехмерные клеточные культуры ведут себя как естественные биологические ткани в большей степени, чем двухмерные клеточные культуры, по крайней мере, отчасти потому, что трехмерное расположение клеток в естественных тканях влияет на межклеточное взаимодействие, которое в свою очередь влияет на рост и физиологию клеток.
[0005] Известны приборы и устройства аддитивного производства для изготовления клеточных конструкций. Например, известные способы наслаивания плавленых волокон применялись к биологическим материалам. При наслаивании плавленых волокон, высоковязкие жидкости подаются из относительного узкого отверстия, а затем быстро затвердевают с помощью различных средств. Биосовместимые пластиковые, термические загустевающие гидрогели, УФ-сшиваемые полимеры и альгинаты высокой концентрации используются в качестве каркасов для 3D клеточных структур, в которых клетки добавляются к каркасу после того, как он затвердеет. Недостаток данного способа состоит в том, что при его использовании клетки добавляются к каркасу после печати, что осложняет контроль расположения клеток. Кроме того, состав подложек может быть неподходящим для пролиферации и роста клеток.
[0006] Известны устройства для печати 3D-структур, которые включают прямую печать клеточных материалов; кроме того они востребованы, по меньшей мере, частично, потому что обеспечивают наслаивание клеток в рамках 3D-каркаса. Например, технология краскоструйной печати используется для печати биологических материалов. Тем не менее, сила сдвига, связанная с продвижением капель жидкости на подложку, может привести к повреждению клеток, диспергированных в жидкости. Кроме того, краскоструйная печать представляет собой медленный процесс, что усложняет его адаптацию к биологическим материалам, которые требуют особых условий окружающей среды для выживания.
[0007] Другие устройства для прямой печати клеток в 3D-структуре включают патент США №: 8639484, который относится к использованию модели CAD и 3D-механизма позиционирования для нанесения клеточных материалов через множество сопел, слой за слоем, чтобы создать 3D-объект. Множественные сопла позволяют включить ряд различных материалов в 3D-объект. Публикация заявки на патент США №: 2012/0089238 раскрывает систему печати с несколькими картриджами для получения композитных органических 3D-структур, с помощью которого структура создается с использованием, по меньшей мере, двух шприцов, один из которых содержит структурный вспомогательный полимер, а другой содержит состав жизнедеятельных клеток, и которые несколько раз наносят структурный вспомогательный полимер и состав жизнедеятельных клеток на поверхность. Публикация заявки на патент США №: 2014/0012407 раскрывает устройство, содержащее одну или несколько печатающих головок, каждая из которых выполнена с возможностью приема и удержания одного или нескольких картриджей. Каждый картридж содержит жидкость, такую как биочернила, содержащую клетки или вспомогательный материал; кроме того в картридже имеется отверстие, через которое из него вытекает жидкость.
[0008] Для способов известного уровня техники, как правило, требуется несколько сопел и/или отверстий картриджа, чтобы обеспечить печать нескольких различных материалов (то есть, один материал, подается одним соплом или отверстием картриджа). Использование нескольких сопел для подачи различных материалов требует соответствующего ускорения движения устройства печати, чтобы позиционировать соответствующее сопло или отверстие картриджа в контролируемой последовательности, чтобы подавать ряд различных материалов. Такое ускоренное движение снижает скорость и эффективность печати.
[0009] Желательно избежать или свести к минимуму один или несколько из приведенных выше недостатков.
[0010] КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] В первом аспекте предоставляется система для аддитивного производства трехмерных структур. Система включает как минимум одну печатающую головку для приема и распределения материалов, представляющих собой проточную жидкость и гидрогель. В одном из вариантов осуществления изобретения печатающая головка включает отверстие для подачи материалов; микроструйные каналы, включающие один или несколько первых каналов для приема и направления подачи проточной жидкости, а также один или несколько вторых каналов для приема и направления подачи гидрогеля, вторые каналы пересекаются с первыми каналами в первой точке пересечения, вторые и первые каналы соединяются в первой точке пересечения и формируют канал подачи, ведущий к отверстию; а также струйные переключатели, каждый из которых устанавливается на один из микроструйных каналов в печатающей головке и конфигурируется таким образом, чтобы обеспечить или прекратить протекание жидкости по микроструйным каналам печатающей головки при приведении его в действие. В одном из вариантов осуществления изобретения система дополнительно включает приемную поверхность для приема первого слоя материала, подаваемого из отверстия; механизм позиционирования для позиционирования отверстия печатающей головки в трехмерном пространстве, механизм позиционирования функционально связан с печатающей головкой; а также устройство подачи для распределения материала из отверстия в печатающей головке.
[0012] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения система включает программируемый управляющий процессор для управления механизмом позиционирования, а также подачей материалов из печатающей головки на приемную поверхность.
[0013] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения один или несколько первых каналов включают как минимум два канала, и они конфигурируются таким образом, чтобы обеспечить их подсоединение к советующим вторым каналам в первой точке пересечения.
[0014] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения проточная жидкость содержит средство образования межмолекулярной связи для затвердевания гидрогеля при смешивании в точке пересечения и/или канале подачи.
[0015] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения диаметр любого второго канала меньше диаметра любого из первых каналов, а также канала подачи, в результате чего, поток от первых каналов формирует коаксиальную оболочку вокруг гидрогеля в канале подачи.
[0016] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения гидрогель содержит жизнедеятельные клетки.
[0017] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения система дополнительно включает приспособление для отвода жидкости для удаления излишков проточной жидкости, поданной из печатающей головки.
[0018] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения приемная поверхность включает пористую мембрану с порами достаточного размера для прохождения через них излишков проточной жидкости.
[0019] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения приспособление для отвода жидкости включает абсорбирующий материал или отсасывающее устройство для удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности.
[0020] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения абсорбирующий материал или отсасывающее устройство устанавливается под пористой мембраной. В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения отсасывающее устройство устанавливается над приемной поверхностью.
[0021] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения отсасывание осуществляется посредством одного или нескольких вакуумных каналов, предусмотренных на печатающей головке, один или несколько вакуумных каналов имеют отверстия, расположенные рядом с отверстиями печатающей головки.
[0022] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения система дополнительно включает емкости для материалов, имеющие жидкостное сообщение с микроструйными каналами в печатающей головке.
[0023] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения печатающая головка дополнительно включает как минимум два входа для приема материалов из емкостей, каждый вход имеет гидравлическое соединение с соответствующими микроструйными каналами и емкостями.
[0024] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения система подачи включает блок управления давлением.
[0025] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения струйные переключатели оснащены клапанами.
[0026] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения печатающая головка дополнительно включает пустотелую рабочую часть, способную выдвигаться из отверстия до приемной поверхности.
[0027] В одном из вариантов осуществления первого аспекта изобретения печатающая головка включает два вторых канала, каждый из которых предназначен для подачи соответствующих гидрогелей, эти два вторых канала пересекаются и соединяются во второй точке пересечения, формируя третий канал, ведущий к первой точке пересечения.
[0028] Во втором аспекте рассматривается система для аддитивного производства трехмерных структур, включающая как минимум одну печатающую головку для приема и распределения материалов, среди которых проточная жидкость и гидрогель. В одном из вариантов осуществления изобретения печатающая головка включает отверстие для подачи материалов; микроструйные каналы для приема и направления материалов к отверстию; а также струйные переключатели, каждый из которых устанавливается на один из микроструйных каналов в печатающей головке и конфигурируется таким образом, чтобы обеспечить или прекратить протекание жидкости по микроструйным каналам печатающей головки при приведении его в действие. В одном из вариантов осуществления изобретения система дополнительно включает приемную поверхность для приема материалов, подаваемых из отверстия; приспособление для отвода жидкости для удаления излишков проточной жидкости, поданной из отверстия; механизм позиционирования для позиционирования отверстия печатающей головки в трехмерном пространстве, механизм позиционирования функционально связан с печатающей головкой; а также устройство подачи для распределения материала из отверстия в печатающей головке.
[0029] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения приспособление для отвода жидкости включает отсасывающее устройство для удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности или через нее, и/или из гидрогеля, поданного на приемную поверхность.
[0030] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения приемная поверхность включает пористую мембрану с порами достаточного размера для прохождения через них излишков проточной жидкости.
[0031] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения отсасывающее устройство устанавливается под пористой мембраной. В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения отсасывающее устройство устанавливается над приемной поверхностью.
[0032] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения отсасывание осуществляется посредством одного или нескольких вакуумных каналов, предусмотренных на печатающей головке, один или несколько вакуумных каналов имеют отверстия, расположенные рядом с отверстиями печатающей головки.
[0033] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения приспособление для отвода жидкости включает абсорбирующий материал для удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности.
[0034] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения система дополнительно включает программируемый управляющий процессор для управления механизмом позиционирования, а также подачей материалов из печатающей головки на приемную поверхность.
[0035] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения печатающая головка дополнительно включает пустотелую рабочую часть, способную выдвигаться из отверстия до приемной поверхности.
[0036] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения печатающая головка включает один или несколько первых каналов для приема и направления подачи проточной жидкости, а также одного или несколько вторых каналов для приема и направления подачи гидрогеля, вторые каналы пересекаются и соединяются с первыми каналами в первой точке пересечения, формируя канал подачи, ведущий к отверстию.
[0037] В одном из вариантов осуществления второго аспекта изобретения печатающая головка включает два вторых канала, каждый из которых предназначен для подачи соответствующих гидрогелей, эти два вторых канала пересекаются и соединяются во второй точке пересечения, формируя третий канал, ведущий к первой точке пересечения.
[0038] В третьем аспекте рассматривается метод печати трехмерной (3D) структуры, включающий обеспечение наличия 3D-принтера, включающего печатающую головку с отверстием для подачи материалов; приемную поверхность для приема первого слоя материалов, подаваемых из отверстия на печатающей головке; а также механизм позиционирования, функционально связанный с печатающей головкой, для позиционирования печатающей головки в трехмерном пространстве. В одном из вариантов осуществления изобретения способ включает подаваемые материалы, содержащие проточную жидкость, а также один или несколько гидрогелей; программирование принтера на печать необходимой 3D-структуры; подачу материалов из отверстия на печатающей головке; наложение первого слоя подаваемого материала на приемную поверхность; повторение процесса наложения подаваемого материала на первый и каждый последующий слой, таким образом, накладывая слой за слоем в геометрическом порядке согласно необходимой 3D-структуре; а также удаление излишков проточной жидкости, поданной из отверстия на печатающей головке за один или несколько раз в течение стадий наложения или в промежутках между ними.
[0039] В одном из вариантов осуществления третьего аспекта изобретения проточная жидкость содержит средство образования межмолекулярной связи, при контакте с которым происходит структуризация и отвердевание гидрогеля, в результате данного контакта создаются волокна гидрогеля.
[0040] В одном из вариантов осуществления третьего аспекта изобретения проточная жидкость и гидрогель подаются в соосном порядке, когда проточная жидкость покрывает гидрогель.
[0041] В одном из вариантов осуществления третьего аспекта изобретения стадии наложения и удаления осуществляются беспрерывно, таким образом, по мере наложения слоев подаваемых материалов регулярно производится удаление излишков проточной жидкости.
[0042] В одном из вариантов осуществления третьего аспекта изобретения стадия удаления осуществляется одновременно со стадиями наложения или в промежутках между ними, таким образом, по мере наложения слоев подаваемых материалов периодически производится удаление излишков проточной жидкости.
[0043] В одном из вариантов осуществления третьего аспекта изобретения один или несколько гидрогелей обеспечивают рост и/или пролиферацию в них жизнедеятельных клеток.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0044] Признаки изобретения станут более очевидными на основе последующего подробного описания, в котором сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых:
[0045] На фиг. 1 показан перспективный вид одного варианта осуществления изобретения печатающего устройства настоящего изобретения.
[0046] На фиг. 2 показан перспективный вид спроектированных программой объектов и соответствующих объектов, напечатанных при использовании одного варианта осуществления печатающего устройства настоящего изобретения.
[0047] На фиг. 3 показан перспективный вид одного варианта осуществления печатающей головки настоящего изобретения.
[0048] На фиг. 4 показано поперечное сечение клапана в печатающей головке на фиг. 3, включая отклонение мембраны клапана, когда клапан приводится в действие.
[0049] На фиг. 5 показано поперечное сечение альтернативного варианта осуществления печатающей головки на фиг. 3.
[0050] На фиг. 6 показан вид сверху альтернативного варианта осуществления печатающей головки на фиг. 3.
[0051] На фиг. 7 показан развернутый перспективный вид одного варианта осуществления талера печатающего устройства в сборе настоящего изобретения.
[0052] На фиг. 8 показано поперечное сечение талера печатающего устройства в сборе на фиг. 9.
[0053] На фиг. 9 показано поперечное сечение альтернативного варианта осуществления талера печатающего устройства на фиг. 9.
[0054] На фиг. 10 показан перспективный вид одного варианта осуществления печатающей головки настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0055] Определения некоторых терминов, используемых в данном описании, приведены ниже. Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, как правило, имеют значение, которое обычно понимает один из средних специалистов, которому принадлежит настоящее изобретение.
[0056] В данном контексте термин «около» будет понятен средним специалистам и будет варьироваться в некоторой степени в зависимости от контекста, в котором он используется. При непонятном средним специалистам употреблении термина, принимая во внимание контекст, в котором он используется, термин «около» будет означать плюс или минус 10% от приведенного значения.
[0057] В данном контексте термин «гидрогель» относится к составу из воды и сети или решетки гидрофильных полимерных цепей. Примеры натуральных гидрогелей включают, например, гели на основе альгината, агарозы, коллагена, фибриногена, желатина, хитозана, гиалуроновой кислоты или любую их комбинацию. Известны различные синтетические гидрогели, которые могут использоваться в вариантах осуществления устройств и способов, приведенных в настоящем документе. Например, в вариантах осуществления устройств и способа, приведенных в настоящем документе, один или несколько гидрогелей образуют структурную основу для напечатанных трехмерных структур. В некоторых вариантах осуществления гидрогель обладает способностью поддерживать рост и/или пролиферацию одного или нескольких типов клеток, которые могут быть распределены в гидрогеле или добавлены в гидрогель после печати в трехмерной конфигурации. В некоторых вариантах осуществления гидрогель сшивается при помощи химического средства образования межмолекулярных связей. Например, гидрогель, включающий альгинат, может сшиваться при наличии двухвалентного катиона, гидрогель, включающий фибриноген, может сшиваться при наличии тромбина, а гидрогель, включающий коллаген или хитозан, может сшиваться при наличии тепла или основного раствора. Сшивание гидрогеля приведет к увеличению твердости гидрогеля, в некоторых вариантах осуществления обеспечивая образование гидрогеля, похожего на твердое тело.
2+
2+
2+
[0058] В данном контексте термин «проточная жидкость» относится к жидкости, используемой, как минимум, частично для покрытия или «заключения в оболочку» подаваемого материала, такого как, например, гидрогель. В некоторых вариантах осуществления проточная жидкость включает один или несколько водных растворителей, например, вода или глицерин, и химическое средство образования межмолекулярных связей, например, материалы, включающие двухвалентные катионы (например, Са, Ва, Sr и т.д.), тромбин или химические вещества, модифицирующие pH, такие как бикарбонат натрия.
[0059] В данном контексте термин «излишки проточной жидкости» относится к части проточной жидкости, подаваемой из отверстия печатающей головки, и которая не образует часть трехмерной структуры, напечатанной при использовании одного или нескольких вариантов осуществления устройств или способов, приведенных в настоящем документе. Например, излишки проточной жидкости могут быть пригодными в смазке прохода гидрогеля через канал подачи в печатающей головке и через отверстие печатающей головки. После подачи из отверстия печатающей головки излишки проточной жидкости могут отводиться с поверхности слоя распределенного гидрогеля на приемную поверхность, где они могут собираться или скапливаться.
[0060] В данном контексте термин «приемная поверхность» относится к поверхности, на которой происходит наслаивание первого слоя материала, подаваемого из отверстия печатающей головки. На приемную поверхность также отводятся излишки проточной жидкости, подаваемые из отверстия печатающей головки, и которые отводятся с одного или нескольких слоев материала, подаваемого из отверстия печатающей головки. В некоторых вариантах осуществления приемная поверхность изготовлена из твердого материала. В некоторых вариантах осуществления приемная поверхность изготовлена из пористого материала. Например, в некоторых вариантах осуществления, пористость пористого материала достаточная для обеспечения прохода через нее проточной жидкости. В некоторых вариантах осуществления приемная поверхность в основном плоская, тем самым обеспечивая ровную поверхность, на которой может наслаиваться первый слой подаваемого материала. В некоторых вариантах осуществления приемная поверхность имеет рельеф, который соответствует печатаемой трехмерной структуре, упрощая тем самым печать трехмерной структуры с неровным первым слоем.
[0061] Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к аппаратуре, устройству и способу для аддитивного производства трехмерных (3D) биологических структур.
[0062] ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПЕЧАТАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
[0063] Согласно одному из аспектов изобретение относится к системе для аддитивного производства трехмерных структур (также известный как «принтер», «3D-принтер» или «печатающая система» или «система»). Система состоит из микроструйной печатающей головки, которая представляет собой устройство, работающее с микроструйной жидкостью, включающее один или несколько микроструйных каналов для приема и направления подаваемых материалов, струйные переключатели, соответствующие микроструйным каналам для регулирования потока печатаемых материалов, а также одно отверстие для подачи материалов, которые подаются.
[0064] Подаваемые материалы включают проточную жидкость и, как минимум, один гидрогель. В предпочтительном варианте осуществления проточная жидкость включает химическое средство образования межмолекулярных связей, пригодное для отвердевания гидрогеля при контакте с ним. В предпочтительном варианте осуществления проточная жидкость также выступает в качестве смазки для отвердевшего гидрогеля.
[0065] Микроструйные каналы выступают в качестве трубок для направления и объединения материалов, подаваемых управляемым способом. Микроструйные каналы расположены внутри печатающей головки таким образом, чтобы один или несколько первых каналов были предусмотрены для приема и направления проточной жидкости, а второй канал - для приема и направления пересекающего гидрогеля в первой точке пересечения, а оба канала объединялись, образуя при этом канал подачи, который доходит до отверстия печатающей головки. В одном предпочтительном варианте осуществления первые каналы рассчитаны на зацепление со вторым каналом в первой точке пересечения. Таким образом, проточная жидкость направляется вдоль обеих сторон потока гидрогеля в канале подачи.
[0066] В предпочтительном варианте осуществления материалы в канале подаче направляются соосно, гидрогель фокусируется в центре канала подачи, а проточная жидкость окружает гидрогелевую жидкость, образуя таким образом оболочку вокруг гидрогеля. В предпочтительных вариантах осуществления, когда проточная жидкость также включает химическое средство образования межмолекулярных связей, пригодное для сшивания гидрогеля, в канале подаче образуется волокно отвердевшего гидрогеля, подаваемого из отверстия печатающей головки.
[0067] Согласно одному аспекту система также включает приемную поверхность для приема первого слоя материалов, подаваемых из отверстия, и механизм позиционирования для позиционирования отверстия печатающей головки в трехмерном пространстве, механизм позиционирования функционально соединен с печатающей головкой. Например, печатающая головка может быть соединена с коммерчески доступной механизированной системой позиционирования с тремя степенями подвижности таким образом, чтобы печатающая головка могла быть расположена над приемной поверхностью и ориентирована на направление подаваемого материала вниз по направлению к приемной поверхности.
[0068] Согласно одному аспекту система включает средство для подачи материалов из отверстия печатающей головки и может также включать и/или иметь функцию передачи данных с программируемым управляющим процессором для регулирования расположения отверстия печатающей головки. Программируемый управляющий процессор также может использоваться для регулирования подачи материалов, подаваемых из отверстия печатающей головки.
[0069] На фиг. 1 показан схематический перспективный вид одного варианта осуществления 3D-печатающего устройства, приведенного в настоящем документе.
[0070] Ссылаясь на фиг. 1, система включает микроструйную печатающую головку [100], включающую отверстие печатающей головки [114], и, как минимум, один вход для приема материала, подаваемого из печатающей головки [100]. Подаваемый материал хранится в емкостях для печатных материалов [110] и подается в печатающую головку через соответствующие первые соединительные трубки [122], которые обеспечивают гидравлическое соединение между печатающей головкой и емкостями для печатных материалов. В показанном варианте осуществления средством для подачи материала, подаваемого из отверстия печатающей головки, является блок управления давлением [112], имеющий жидкостное сообщение с емкостями для печатных материалов [110] при помощи соответствующих вторых соединительных трубок [120]. Блок управления давлением представляет собой средство для обеспечения силы для подачи материалов, которые подаются. Блок управления давлением обеспечивает подачу пневматического давления в емкости для печатных материалов [110] посредством соответствующих вторых соединительных трубок [120]. Давление, применимое к емкостям для печатных материалов, выталкивает жидкость из емкостей в печатающую головку посредством соответствующих первых соединительных трубок [122]. В показанном варианте осуществления может использоваться альтернативное средство для подачи материала, который подается. Например, ряд шприцевых насосов с электронным управлением может использоваться для обеспечения силы для подачи материала, подаваемого из отверстия печатающей головки.
[0071] Ссылаясь на фиг. 1, микроструйная печатающая головка [100] соединена с 3D-механизированным отсеком, включающим три рычага [102, 103 и 104] для позиционирования печатающей головки [100] и отверстия печатающей головки [114] в трехмерном пространстве над талером печатающего устройства [108], включающим поверхность [109] для приема печатного материала. В одном варианте осуществления 3D-механизированный отсек (т.е. механизм позиционирования) может контролироваться для расположения вертикального рычага [104], который протягивается вдоль оси z 3D-механизированного отсека таким образом, что отверстие печатающей головки [114] направлено вниз. Первый горизонтальный рычаг [102], который протягивается вдоль оси х механизированного отсека, закреплен к неподвижной базовой платформе [116]. Второй горизонтальный рычаг [103], который протягивается вдоль оси у механизированного отсека, имеет подвижное соединение с верхней поверхностью первого горизонтального рычага [102] таким образом, что продольные направления первого и второго горизонтальных рычагов [102 и 103] перпендикулярны друг другу. Понятно, что термины «вертикальный» и «горизонтальный», используемые выше в отношении рычагов, предусмотрены для описания способа движения печатающей головки и необязательно ограничивают физическую ориентацию самих рычагов.
[0072] В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, талер печатающего устройства [108] расположен на верхней части платформы [118], платформа соединена с верхней поверхностью второго горизонтального рычага [103]. В варианте осуществления рычаги [102, 103 и 104] 3D-механизированного отсека приводятся в действие при помощи трех соответствующих двигателей [105, 106 и 107], соответственно, и управляются при помощи программируемого управляющего процессора, например, компьютер (не изображен). В предпочтительном варианте осуществления печатающая головка [100] и талер печатающего устройства [108] совместно передвигаются вдоль всех трех первичных осей системы декартовых координат посредством 3D-механизированного отсека, а движение отсека определяется при помощи компьютерного программного обеспечения.
[0073] Понятно, что изобретение не ограничивается исключительно описанной системой позиционирования, а также, что в данной области техники известны и другие системы позиционирования.
[0074] В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, поскольку материал подается из отверстия печатающей головки [114], механизм позиционирования передвигается по шаблону, управляемому при помощи программного обеспечения, создавая при этом первый слой подаваемого материала на приемной поверхности [109]. Дополнительные слои подаваемого материала накладываются на верхнюю часть друг друга таким образом, что конечная 3D-структура слоев подаваемого материала, как правило, представляет собой точную копию дизайна 3D-структуры, предусмотренного программным обеспечением. 3D-дизайн может быть создан при помощи стандартного программного обеспечения 3D САР (автоматизированное проектирование) или образован по цифровым изображениям, известным в данной области техники. Кроме того, в случае если образованная программным обеспечением структура содержит информацию о конкретных используемых материалах, согласно одному варианту осуществления изобретения, можно присвоить конкретный тип материала для различных геометрических положений. Например, на фиг. 2 показаны три 3D-структуры, которые печатаются с использованием одного варианта осуществления устройства, приведенного в настоящем документе: куб [128], пустотелый цилиндр [129] и пустотелый соосный цилиндр [130]. Программное обеспечение использовалось для образования дизайнов куба, пустотелого цилиндра и пустотелого соосного цилиндра ([125], [126] и [127], соответственно), каждый из которых включает два различных типа материалов (окрашенный альгинат), которые были окрашены в различные цвета для обеспечения визуальной четкости материалов, используемых для образования печатного куба и пустотелого цилиндра.
[0075] Любое программное обеспечение, приложение или модуль, упоминаемые в настоящем документе, могут реализовываться при помощи машиночитаемых/выполняемых инструкций, которые могут храниться или иным образом быть предусмотренными на таких машиночитаемых носителях.
[0076] ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА
[0077] Фиг. 3 изображает схематичный перспективный вид одного варианта осуществления изобретения микроструйной печатающей головки [100] для применения в системе, приведенной в настоящем договоре.
[0078] Ссылаясь на фиг. 3, изображенный вариант осуществления изобретения показывает микроструйную печатающую головку [100], включающую микроструйные каналы для перемещения по ним различных жидкостей. В изображенном варианте осуществления изобретения микроструйные каналы имеют цилиндрическую форму. Однако в печатающей головке, приведенной в настоящем документе, кроме цилиндрической также могут использоваться другие формы канала. Канал [200] представляет собой трубку для средства образования межмолекулярных связей, канал [202] является трубкой для воды. В изображенном варианте осуществления изобретения средство образования межмолекулярных связей и вода, по отдельности или вместе служат в качестве «проточной жидкости». Канал [204] представляет собой трубку для первого состава гидрогеля (именуемого «гидрогель А»), а канал [206] представляет собой трубку для второго состава гидрогеля (именуемого «гидрогель В"). В предпочтительном варианте осуществления изобретения один или несколько типов жизнедеятельных клеток отвечают требованиям и при необходимости распределяются в пределах гидрогелей А и/или В. В изображенном варианте осуществления изобретения, каждый микроструйный канал включает в себя вход жидкости [208а, 208b, 208с, 208d], который позволяет жидкости, содержащейся в соединительных трубках [122], проходить в соответствующие каналы печатающей головки [100]. Нижняя часть входов жидкости [208а, 208b, 208с, 208d] представляет собой клапаны [210, 212, 214, 216], соответствующие каждому каналу. В изображенном варианте осуществления изобретения клапаны служат в качестве «струйных переключателей», которые могут быть приведены в действие для подачи или прекращения потока жидкости через канал, каждый клапан, имеющий соответствующий вход [218, 218а, 218b, 218с, 218d], который способствует срабатыванию и отключению клапана. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, клапаны [210, 212, 214, 216] могут быть приведены в действие с помощью электронного управления. В другом варианте осуществления изобретения, клапаны [210, 212, 214, 216] могут быть приведены в действие путем изменения подаваемого давления, например, посредством электромагнитного поршня. Приведение в действие разных клапанов с помощью электронного управления или давления способствует быстрому изменению распределяемого материала, таким образом, позволяя распределяемым материалам состоять из управляемой последовательности различных материалов.
[0079] Ссылаясь в дальнейшем на фиг.3, в изображенном варианте осуществления изобретения каналы для средства образования межмолекулярных связей [200] и каналы для воды [202] пересекаются в точках пересечения [203], таких как в «у-образной» конфигурации, соединяясь для образования каналов, именуемых «проточными каналами» [224], сразу на выходе каналов для средств образования межмолекулярных связей и каналов для воды [200, 202]. Каналы гидрогеля А и гидрогеля В [204, 206] пересекаются в точке пересечения [207], такой как в «у-образной» конфигурации, соединяясь для образования канала, именуемого в настоящем документе «фокусирующимся каналом» [226] сразу на выходе двух каналов гидрогеля. Проточные каналы [224] и фокусирующийся канал [226] пересекаются в точке пересечения [228] в трех-штыревой конфигурации для описанного варианта осуществления изобретения, отличающегося тем, что фокусирующийся канал [226] с обеих сторон окружен проточными каналами [224], соединяющимися для образования канала, именуемого в настоящем документе каналом подачи [220]. Канал подачи [220] подключается к отверстию подачи [222]. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг. 1, канал подачи выходит из печатающей головки [100], подключаясь к отверстию подачи [114].
[0080] Ссылаясь в дальнейшем на фиг. 3, в изображенном варианте осуществления изобретения, проточные каналы [224] и канал подачи [220] имеют большие диаметры, чем у фокусирующегося канала [226]. Когда на поточный [224] и фокусирующийся канал [226] подается гидравлическое давление, жидкость в фокусирующемся канале [226] сжимается по бокам и «фокусируется» в тонкую струю по направлению центральной оси фокусирующегося канала [226]. После пересечения с фокусирующимся каналом [226] в точке пересечения [228], жидкость из проточных каналов большего диаметра [224] окружает и покрывает более узкую сфокусированную струю распределяемого гидрогеля из фокусирующегося канала [226].
[0081] В предпочтительном варианте осуществления изобретения, жидкость в проточных каналах [224] включает в себя химическое средство образования межмолекулярных связей, а жидкость в фокусирующемся канале [226] включает в себя один или несколько химически сшиваемых гидрогелей, включающих в себя один или несколько типов жизнедеятельных клеток. Когда один или несколько химически сшиваемых гидрогелей фокусируются в тонкую струю в фокусирующемся канале [226], а затем покрываются средством образования межмолекулярных связей в канале подачи [220], по меньшей мере, наружная поверхность одного или нескольких химически сшиваемых гидрогелей затвердеет в канале подачи [220], тем самым создавая сшитое или «твердое» волокно гидрогеля. Затем волокно гидрогеля организованно подается из отверстия подачи [222] на приемную поверхность, образуя послойно 3D-структуру.
[0082] В отдельно предпочтительном варианте осуществления изобретения, проточная жидкость, окружающая волокно гидрогеля, также может выступать в качестве смазки прохода волокна гидрогеля через канал подачи [220], пока оно не распределится из отверстия печатающей головки [222].
[0083] В любом варианте осуществления изобретения, проточная жидкость включает в себя химическое средство образования межмолекулярных связей, воду или их сочетание. В вариантах осуществления изобретения, где в проточной жидкости не хватает химического средства образования межмолекулярных связей, гидрогель не затвердеет и распределится в качестве жидкости. Чтобы откорректировать состав проточной жидкости и запустить и/или завершить процесс отвердевания гидрогеля, можно привести в действие клапан канала для средства образования межмолекулярных связей [210] и клапан канала для воды [212]. Следует иметь в виду, что распределение жидкости, а не твердого гидрогеля, или распределение только проточной жидкости может быть целесообразным для создания некоторых аспектов разных трех объемных объектов.
[0084] В любом варианте осуществления изобретения, печатающая головка [100] может быть сконфигурирована для получения и распределения только одного материала гидрогеля. В одном варианте осуществления изобретения, печатающая головка может быть сконфигурирована для получения и распределения двух или нескольких материалов гидрогеля. Например, в любом варианте осуществления изобретения, где печатающая головка [100] сконфигурирована для получения двух материалов гидрогеля, каждый, например, включающий в себя другой тип клетки, система, приведенная в настоящем документе, может быть запрограммирована на распределение неоднородной клеточной структуры, отличающейся тем, что первый и второй тип клеток может быть заложен в управляемый шаблон в пределах и среди слоев, отдельно и/или в сочетании один с другим. Границы между двумя материалами контролируются, например, программным обеспечением, а процессор с программным управлением используется для выдачи команд клапанам со струйными переключателями (напр., один или несколько клапанов [210], [212], [214], [216]) по изменению потока материала в пределах одного или нескольких микроструйных каналов, тем самым изменяя содержание материала, распределяемого из отверстия печатающей головки. Количество материалов гидрогеля, которое может быть получено и распределено из печатающей головки, приведенной в настоящем документе, ограничивается только размером печатающей головки, который пользователь считает практичным.
[0085] Ссылаясь на фиг. 4, в одном варианте осуществления изобретения, струйный переключатель представляет собой клапан, состоящий из мембраны [332], расположенной над приспособлением цилиндрической формы [318], принимающим форму микроструйного канала [308]. После подачи пневматического давления (показано стрелками на фиг. 4) на подверженную воздействиям поверхность мембраны клапана [332], мембрана клапана [332] будет деформирована в приспособление цилиндрической формы [318], тем самым блокируя проход жидкости через микроструйный канал [308]. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, толщина мембраны клапана [332] составляет примерно 150 мкм. В вариантах осуществления изобретения, где толщина мембраны клапана увеличена, специалист поймет, что подаваемое давление срабатывания пневматического клапана должно быть увеличено соответствующим образом. Аналогично, мембрана клапана, сформированная из менее упругого материала, требует более высокого давления срабатывания. Специалист поймет, как отрегулировать давление срабатывания, чтобы удовлетворить требования особого материала мембраны клапана.
[0086] В одном варианте осуществления изобретения, печатающая головка состоит из альтернативных струйных переключателей для регулирования материалов, распределяемых из отверстия печатающей головки. Например, кроме использования клапанов, для регулирования потока материала в микроструйных каналах можно использовать механизм включения или отключения подачи давления на каждый канал.
[0087] В одном варианте осуществления изобретения, печатающая головка включает в себя удлинительный наконечник, состоящий из отверстия для распределения материалов из печатающей головки. Такой удлинительный наконечник способствует точному распределению материалов и их отложению в определенных зонах, таких как, например, лунка в многолуночном планшете (напр., стандартный микро-титровый планшет, микро-луночный планшет или микро-планшет, имеющий 6, 24, 96 и т.д. лунок) или чашка Петри. Ссылаясь на вариант осуществления изобретения, изображенный на фиг. 5, часть [500] канала подачи [220], ближайшая к отверстию подачи [222], имеет больший диаметр, чем расположенная выше часть канала подачи [220]. Удлинительный наконечник [502] включает в себя трубки (напр., изготовленные из пластика, стекла или металла), наружная часть которых сконфигурирована таким образом, чтобы вместится в часть большего диаметра [500] канала подачи, и внутренняя поверхность которых (определяя отверстие в трубке) сконфигурирована таким образом, чтобы присоединится к каналу подачи [220]. Удлинительный наконечник [502] может быть вставлен в часть большего диаметра [500] канала подачи, тем самым удлиняя канал подачи [220], который способствует отложению материала, распределенного из отверстия [503] в удлинительном наконечнике [502] в определенных зонах, таких как вставка для луночного планшета [504] или чашка Петри (не изображены).
[0088] Ссылаясь на вариант осуществления изобретения, изображенный на фиг. 1, удлинительный наконечник [130] представляет собой выступ, примыкающий к печатающей головке [100], удлинительный наконечник [130], подсоединяемый к отверстию печатающей головки [114]. В данном варианте осуществления изобретения, удлинительный наконечник [130] является продолжением печатающей головки.
[0089] В одном варианте осуществления, два или несколько материалов гидрогеля могут быть расположены соосно в волокне гидрогеля, распределенном из системы, приведенной в настоящем документе. Ссылаясь на фиг. 6, в изображенном варианте осуществления изобретения, печатающая головка [100] включает в себя микроструйные каналы, предназначенные для подачи соосного волокна гидрогеля, содержащего основной материал гидрогеля и поверхностный материал гидрогеля. В изображенном варианте осуществления изобретения, поверхностный материал, проходимый в каналах [508], представляет собой быстро загустевающий гидрогель, а основной материал, проходимый в канале [506], представляет собой другой гидрогель, выбранный пользователем (напр., коллаген или фибриноген). Каналы [508] и канал [506] пересекаются в фокусирующей точке пересечения гидрогеля [510], например, в «у-образной» конфигурации (подобной пересечению [528], изображенному на фиг. 3), соединяясь для образования фокусирующегося канала [226] на выходе каналов [506] и [508]. На фокусирующемся пересечении гидрогеля [510], поверхностный материал соосно фокусирует основной материал, чтобы поверхностный материал образовал оболочку вокруг основного материала. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, каналы [508] и [226] имеют больший диаметр, чем канал [506] для содействия соосному фокусированию основного и поверхностных материалов. В предпочтительном варианте, цель поверхностного материала заключается в обеспечении основного материала физической несущей конструкцией, чтобы он мог превратиться в 3D-структуру. Средний слой может затвердеть после отложения материала, точный метод отвердения характерный исключительно для разных поверхностных материалов. Например, средний слой может содержать материал, который отвердевает очень медленно. В другом варианте осуществления изобретения, основные и поверхностные материалы содержат одинаковые материалы. В еще одном варианте осуществления, поверхностный материал содержит гидрогель, который быстро отвердевает, а основной материал содержит материал, который не загустевает, тем самым содействуя получению полого волокна.
[0090] В одном варианте осуществления изобретения, печатающая головка [100], изображенная на фиг. 6, могла содержать дополнительные каналы основного материала, каждый с соответствующим струйным переключателем, например, клапан для регулирования потока материала. Струйный переключатель обеспечивает быструю и частую корректировку состава основного материала в волокне, распределяемого посредством команд процессора с программным управлением.
[0091] В одном варианте осуществления изобретения можно установить несколько печатающих головок, например, параллельно, чтобы обеспечить одновременную печать нескольких структур. Это увеличит пропускную способность.
[0092] В некоторых вариантах осуществления изобретения печатающая головка предназначена для одноразового использования. Использование печатающих головок разового применения может уменьшить вероятность загрязнения материалов, используемых для разных заданий на печать.
[0093] Печатающая головка может быть изготовлена, например, используя известные микроструйные техники формовки (напр., отливка, отпечаток или литьевое прессование), и один или несколько пластичных полимеров, например, полидиметилсилоксан (ПДМС). В другом варианте, коммерчески доступная технология 3D-печати может использоваться для изготовления печатающей головки.
[0094] ФУНКЦИЯ УДАЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ
[0095] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, оно обеспечивает систему аддитивного производства трехмерных структур, включающую функцию удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности, на которой наслаивается первый слой материала, поданный из печатающей головки, и, как вариант, с поверхности распределения гидрогеля. Во время печати существует вероятность, что на приемной поверхности или поверхности распределения гидрогеля накопится излишек проточной жидкости, или она «растечется» по ним. Такие потеки могут препятствовать наслоению гидрогеля, подаваемого из отверстия печатающей головки на приемную поверхность и/или на один или несколько слоев гидрогеля. Например, растекшаяся проточная жидкость может привести к тому, что волокна гидрогеля будут соскальзывать из необходимого положения в печатаемой трехмерной структуре. Следовательно, удаление излишков проточной жидкости с приемной поверхности и, как вариант, с поверхности распределения гидрогеля с помощью функции удаления жидкости в вариантах осуществления системы может улучшить аддитивное производство трехмерных структур.
[0096] Излишки проточной жидкости можно удалить с приемной поверхности или с поверхности одного или несколько слоев распределенного гидрогеля посредством откачивания с них жидкости, испарения или способствования испарению проточной жидкости, или же (в вариантах осуществления изобретения с пористой приемной поверхностью) излишки проточной жидкости можно удалить, слив их через пористую поверхность.
[0097] В предпочтительном варианте осуществления изобретения приемная поверхность в предпочтительном варианте осуществления изобретения включает в себя пористый материал, при этом размер пор способствует прохождению проточной жидкости через них и удержанию одного или нескольких слоев гидрогеля, наслоенных на него.
[0098] Ссылаясь на фиг. 7 и 8, на изображенных вариантах осуществления изобретения талер печатающего устройства [108] включает в себя пористую мембрану [400], которая служит в качестве поверхности для приема первого слоя поданного материала (т.е., приемной поверхностью). Пористая мембрана [400] неподвижно закрепляется в талере печатающего устройства [108] между корпусом [408] и заслонкой [402]. Корпус [408] - это емкость произвольной формы для приема и хранения жидкости (например, квадратная, круглая). Внутренний объем корпуса [408] называется камерой [404]. На корпусе [408] имеется верхняя поверхность [409], включающая встроенный козырек [412], увеличивающий периметр верхней поверхности [409] корпуса [408]. Верхняя поверхность [409] включает в себя отверстие, образуемое одной или двумя стенками [410], при этом оно окружено встроенным козырьком [412] и заходит внутрь корпуса [408].
[0099] Ссылаясь в дальнейшем на варианты осуществления изобретения, изображенные на фигурах 7 и 8, заслонка [402] включает в себя верхнюю поверхность [403] с проходящим через нее отверстием [416] и боковые стенки [418], скомпонованные так, чтобы охватывать встроенный козырек [412] корпуса [408], способствуя, таким образом, размещению заслонки [402] на верхней поверхности [409] последнего. Когда заслонку [402] помещают на корпус [408], отверстия корпуса и заслонки [416] становятся на одну линию. При эксплуатации пористая мембрана [400] устанавливается на верхнюю поверхность [409] корпуса [408] таким образом, чтобы проходить над отверстием в верхней поверхности [409] корпуса [408]. После этого заслонка [402] устанавливается на верхнюю часть корпуса [408] и прижимается вниз. Нажим заслонки [402] растягивает пористую мембрану [400] над отверстием в верхней поверхности [409] корпуса [408], тем самым удерживая мембрану [400] между корпусом [408] и заслонкой [402]. В предпочтительных вариантах изобретения заслонка [402] и корпус [408] плотно прилегают друг к другу, тем самым обеспечивая соединение, остающееся прочным во время работы представленного здесь устройства.
[00100] Ссылаясь в дальнейшем на варианты осуществления изобретения, изображенные на фигурах 7 и 8, корпус [408] включает в себя сплошное основание [414] и как минимум один выпускной канал [406] для отвода жидкости от камеры [404], а также источник вакуума (не изображен) гидравлически соединенный с выпускным каналом [406] камеры [404]. Пористая мембрана [400] включает в себя поры, размер которых способствует прохождению проточной жидкости. Для откачки излишков проточной жидкости, накапливающейся на пористой мембране [400], через саму мембрану в камеру [404], а из нее через выпускной канал [406] может быть задействован источник вакуума (не изображен), соединенный с выпускным каналом [406], в связи с чем волокно гидрогеля останется в распределенном состоянии на верхней части мембраны [400].
[00101] В предпочтительном варианте осуществления изобретения функция удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности и, как вариант, с поверхности распределения гидрогеля, может включаться в систему, предназначенную для подачи материалов на многолуночный планшет или чашку Петри. Например, в изображенном на фигуре 9 варианте осуществления изобретения на верхней части корпуса [408] установлена имеющаяся в продаже вставка для луночного планшета [504]. Некоторые вставки для луночного планшета [504] имеют форму корзины с основанием из материала пористой мембраны [512]. В изображенном варианте осуществления изобретения для улучшения герметичности между вставкой луночного планшета [512] и корпусом [408] установлена прокладка [514]. В таких вариантах осуществления изобретения пористая мембрана [512] вставки луночного планшета [504] будет служить в качестве «приемной поверхности», любые излишки проточной жидкости с которой можно удалить с помощью отсасывающего устройства, соединенного с выпускным каналом [406], как описывается выше; либо с помощью одной из функций удаления жидкости, описанных ниже.
[00102] В одном из вариантов осуществления изобретения (не изображен) приемная поверхность на талере печатающего устройства включает в себя абсорбирующий материал или устанавливается с прилеганием к такому материалу, способствующему впитыванию излишков проточной жидкости с приемной поверхности. Например, вставку луночного планшета с основанием, изготовленным из материала пористой мембраны (к примеру, как показано на фигуре 9), или любой другой подложки пористой мембраны, можно установить на верхнюю часть абсорбирующего материала или с прилеганием к этому материалу, например, такому, как губка. Абсорбирующий материал будет впитывать излишки проточной жидкости с приемной поверхности. В вариантах осуществления изобретения, в которых абсорбирующий материал располагается под приемной поверхностью, излишки проточной жидкости на приемной поверхности попадают через ее поры в абсорбирующий материал, предотвращая, таким образом, растекание проточной жидкости по приемной поверхности. В вариантах осуществления изобретения, в которых абсорбирующий материал располагается непосредственно за или сверху части приемной поверхности (напр., на периферии поверхности так, чтобы не мешать наслаиванию поданного материала), излишки проточной жидкости откачиваются с приемной поверхности в абсорбирующий материал.
[00103] В одном из вариантов осуществления изобретения (не изображен) вместо использования одного из талеров печатающего устройства можно установить одну или несколько трубок на участок возле приемной поверхности и отверстия печатающей головки. Эти трубки могут иметь жидкостное сообщение с источником вакуума (не изображен), который может обеспечить всасывание для удаления излишков проточной жидкости с приемной поверхности и, как вариант, с поверхности распределения гидрогеля. В таких вариантах осуществления также можно использовать сплошную или пористую приемную поверхность.
[00104] В одном из вариантов осуществления изобретения, изображенном на фигуре 10, печатающая головка скомпонована так, чтобы дополнительно включать один или несколько вакуумных каналов [700а, 700b], при этом один или несколько вакуумных каналов оснащаются отверстием [702а, 702b], расположенным у отверстия печатающей головки [222]. Один или несколько вакуумных каналов [700а, 700b], каждый из которых оснащается входом [704а, 704b], скомпонованным для содействия гидравлическому соединению с одним или несколькими отсасывающими устройствами (не изображены). Когда печатающая головка [100] гидравлически соединена с отсасывающим устройством, через один или несколько вакуумных каналов [702а, 702b] на участок приемной поверхности, где из отверстия печатающей головки подаются или уже были поданы материалы [222], и/или на участок приемной поверхности распределенного гидрогеля направляется отрицательное давление, тем самым устраняя растекание проточной жидкости на приемной поверхности и/или поверхности распределенного гидрогеля.
[00105] В одном из вариантов осуществления изобретения как минимум на одном или нескольких удлинениях, выходящих из печатающей головки, устанавливаются одна или несколько вакуумных трубок. Удлинения выходят в том же общем направлении, что и удлинение с отверстием печатающей головки и канал подачи (например, см. фигуру 10). В таких вариантах осуществления изобретения одно или несколько удлинений, включающих вакуумные трубки, не выходят дальше удлинения, включающего отверстие печатающей головки и канал подачи, чтобы не представлять помеху для распределяемого и наслаиваемого гидрогеля.
[00106] Предполагается, что в некоторых вариантах осуществления изобретения функция удаления жидкости может быть свойством самой жидкости. Например, проточная жидкость может быть разработана так, чтобы испаряться после подачи из отверстия печатающей головки, тем самым устраняя растекание излишков жидкости по приемной поверхности или поверхностям распределяемого гидрогеля. Или, например, у проточной жидкости может быть точка кипения, приводящая к ее испарению после подачи, при этом перед подачей она остается в жидком состоянии.
[00107] СПОСОБ ПЕЧАТИ ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ
[00108] Рассматривается способ печати трехмерной (3D) структуры.
[00109] В первую очередь способ относится к конструкции 3D-структуры, подлежащей печати. Конструкция может быть создана с помощью коммерчески доступного программного обеспечения CAD. В одном варианте конструкция содержит информацию, касающуюся конкретных материалов (например, для гетерогенных структур, состоящих из нескольких материалов), которые будут использованы в конкретных геометрических местах конструкции.
[00110] Способ относится к использованию 3D-принтера, состоящего из: печатающей головки, приемной поверхности, предназначенной для приема материала, подаваемого печатающей головкой, и механизма позиционирования, функционально соединенного с приемной поверхностью, механизма позиционирования для расположения печатающей головки на месте в трехмерном пространстве над приемной поверхностью. Например, различные варианты осуществления печатающего устройства, представленные здесь, могут быть использованы в способе печати 3D-структуры.
[00111] Способ относится к подаче, по крайней мере, двух материалов, которые будут распределяться печатающей головкой, таких как проточная жидкость и гидрогелевая жидкость. В предпочтительных вариантах осуществления один или несколько типов клеток совместимы с гидрогелем и, возможно, распределяются в нем. В предпочтительном варианте осуществления проточная жидкость содержит средство образования межмолекулярных связей для отверждения, как минимум, одной порции гидрогеля до или во время его подачи из печатающей головки.
[00112] Способ относится к передаче конструкции на 3D-принтер. Передача может осуществляться, например, с помощью программируемого управляющего процессора.
[00113] Способ относится к управлению взаимным расположением печатающей головки и приемной поверхности в трехмерном пространстве и одновременной подаче проточной жидкости и гидрогеля из печатающей головки по отдельности или вместе. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения материалы, распределяемые печатающей головкой, распределяются соосно, таким образом, что проточная жидкость покрывает гидрогель. Такое соосное расположение позволяет средству образования межмолекулярных связей отвердить гидрогель, в результате чего образуется твердое гидрогелевое волокно, которое подается из печатающей головки.
[00114] Способ относится к нанесению первого слоя распределяемых материалов на приемную поверхность; первый слой относится к распределению материала, определяемого конструкцией, и к итерационному повторению этапа распределения, нанося следующий материал на первый и последующие слои материала, таким образом послойно нанося распределяемые материалы в геометрической последовательности, определенной конструкцией, для получения 3D-структуры, нагруженной клетками.
[00115] В предпочтительных вариантах осуществления множество материалов, например, несколько видов гидрогеля, по крайней мере, некоторые из которых содержат один или несколько типов клеток, распределяются в контролируемой последовательности, таким образом позволяя осуществлять управляемую последовательность гидрогелей и типов клеток, которые будут распределены в геометрической последовательности согласно конструкции.
[00116] В предпочтительных вариантах осуществления изобретения способ относится к удалению избыточной проточной жидкости с приемной поверхности и, в некоторых случаях, с поверхности распределяемого гидрогеля. Например, этап удаления избытка проточной жидкости может выполняться непрерывно в течение всего процесса печати, тем самым осуществляя удаление избыточной жидкости, которая в противном случае может помешать наслаиванию подаваемого материала в геометрической последовательности, определяемой конструкцией. В качестве альтернативы, этап удаления избытка проточной жидкости может выполняться с перерывами в течение всего процесса печати последовательно или одновременно с одним или несколькими этапами нанесения. В некоторых вариантах осуществления удаление избыточной проточной жидкости достигается за счет отвода жидкости от приемной поверхности и, в некоторых случаях, от поверхности распределяемого гидрогеля. В другом варианте осуществления удаление лишней проточной жидкости достигается за счет отведения избытка жидкости через приемную поверхность, поры которой достаточно велики, чтобы обеспечивать прохождение проточной жидкости. В другом варианте осуществления удаление лишней проточной жидкости достигается за счет подачи проточной жидкости, которая испаряется после ее подачи из отверстия печатающей головки.
[00117] ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА И СПОСОБА ПЕЧАТИ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР, НАГРУЖЕННЫХ КЛЕТКАМИ
[00118] В некоторых вариантах осуществления структуры, полученные с использованием устройства и способа, приводимых в данном документе, могут быть полезны в области поиска новых лекарственных средств, где изучается, например, клеточная реакция на различные химические соединения и композиции. Использование трехмерных клеточных структур, изготовленных с использованием вариантов осуществления устройств и способов, представленных здесь, может обеспечить условия эксперимента, которые наиболее приближены к природным клеточным и тканевым условиям в сравнении с двухмерными клеточными культурами. 3D-организация клеток может более точно имитировать естественные межклеточные взаимодействия и реакции на внешние раздражители и гетерогенный характер 3D-структур, которые могут быть получены с использованием аппаратуры и способов при условии разрешения на исследование тканей и, возможно, органов. Предполагается, что 3D-конструкции, нагруженные клетками, которые изготовлены с использованием вариантов осуществления устройств и способов, представленных здесь, могут дать те же преимущества и для косметической промышленности, предлагая альтернативные средства испытания косметических продуктов.
[00119] В некоторых вариантах осуществления различные варианты осуществления устройства и способа, представленные здесь, совместимы со стандартной технологией луночного планшета. Луночные планшеты или вставки для луночного планшета могут использоваться с или в качестве части талера печатающего устройства в способах и устройствах, представленных здесь. Таким образом, различные варианты осуществления устройства и способа, представленные здесь, совместимы с инструментами и практикой, которые используют луночные планшеты, что позволяет легко интегрировать их в существующие технологические потоки.
[00120] В некоторых вариантах осуществления микроструйные каналы внутри печатающей головки совместимы с другими микростуйными модулями. Например, известные микроструйные модули могут быть использованы в печатающей головке представленного здесь устройства до входа в отверстие печатающей головки. Такие модули могут включать в себя, например, модули подсчета, сортировки и анализа клеток и/или модуль генерации градиента концентрации.
[00121] В некоторых вариантах осуществления пропускная способность 3D-печати может быть увеличена путем параллельной установки в системе дополнительных печатающих головок. Каждая печатающая головка содержит все элементы, необходимые для печати на композитной структуре, что позволяет одновременно напечатать несколько 3D-структур путем установки дополнительных печатающих головок на устройстве.
[00122] Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на некоторые конкретные варианты осуществления, его различные модификации будут очевидны для специалистов в данной области техники без отклонения от назначения и области применения настоящего изобретения, как это изложено в прилагаемой формуле изобретения. Любые примеры, приведенные здесь, включены исключительно с целью иллюстрации настоящего изобретения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения каким-либо образом. Любые чертежи представлены здесь исключительно в целях иллюстрации различных аспектов изобретения и не предназначены для перечерчивания в масштабе или ограничения изобретения каким-либо образом. Описания всех известных уровней техники, приведенные здесь, включены в данное описание в качестве ссылок, как если бы они были изложены во всей их полноте.
[00123] БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ
[00124] Данные ссылки приводятся в качестве примеров известного уровня техники, относящегося к настоящему изобретению. Нижеприведенный список не должен включать исчерпывающий список всех соответствующих уровней техники. Полное содержание всех ссылок, указанных в настоящем описании, в том числе документы ниже, включены в настоящее описание в качестве ссылок, как если бы они были изложены во всей их полноте.
1. Су-Ён Шин, Цзи-Ян Парк, Цзинь-Ян Ли, Го Парк, Юн-Ду Парк, Кю-Бек Ли, Чан-Мо Уанг и Сан-Хун Ли, «Моментальное непрерывное образование альгинатных волокон с использованием микроструйных устройств», Ленгмюр, т. 23, 2007, стр. 9104-9108.
2. Саиф Халил и Вэй Сунь, «Биопечать эндотелиальных клеток с помощью альгината для трехмерных тканевых конструкций», Журнал биомеханической инженерии, т. 131, 2009, стр. 111002-1 -111002-8.
3. Минь Ху, Жэньшэн Дэн, Карл М. Шумахер, Мотоичи Курисава, Хуне Е, Кристи Пурнамавати и Джеки И. Ин, «Гидродинамическое прядение гидрогелевых волокон», Биоматериалы, т. 31, 2010, стр. 863-869.
4. Бюнг Ким, Интай Ким, Вусеок Чхве, Сунь Вон Ким, Джу Сон Ким и Гынпэ Лим, «Изготовление каркаса из клеток, инкапсулированных в каркас на основе альгинатного микроволокна, с помощью микрожидкостного канала», Журнал производственной науки и техники, т. 130, 2008, стр. 021016-1 - 021016-6.
5. Эдвард Кан, Су-Юнг Син, Гуан Хэ Ли и Сан-Хун Ли, «Новые ПМС цилиндрические каналы, генерирующие коаксиальный поток, и их применение в производстве микроволокон и частиц», Лаборатория на чипе, т. 10, 2010, стр. 1856-1861.
6. Хироаки Оное, Рихо Годзё, Юкико Цуда, Даисуке Кирия и Сёдзи Такэути, «Гелевые провода типа ядро-оболочка для строительства большой площади неоднородных структур из биоматериалов», Конференция IEEE MEMS, 2010, стр. 248-251.
7. Сетаре Горбаниян (2010), Микроструйный зонд для непосредственного создания мягкого клеточного каркаса, Диссертация магистра технических наук. Университет Макгилла: Канада.
8. Эдвард Кан, Ги Сон Джонг, Ён Ян Цой, Гуан Хэ Ли, Али Хадемхоссеини и Сан-Хун Ли, «Физико-химическое кодирование состава материала с дискретной перестройкой и топография в непрерывных микроволокнах», Натуральные материалы, т. 10, 2011, стр. 877-883.
9. Патент ЕР 2489779 А1.
10. Патент US 2006/0105011 А1.
11. Патент US 2011/0136162 А1.
12. Патент US 2012/0089238 А1.
13. Патент WO 2012009363 А1.