一次性生物三維打印機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維打印裝置、一種打印系統(tǒng)以及一種打印方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)菌條件下的三維物體的形成或涂覆，尤其是生化材料的涂覆需要大量努力來(lái)維 持無(wú)菌條件和裝配所需的設(shè)備，以在無(wú)菌條件下形成或涂覆三維物體。
[0003] 因此，提供能夠在無(wú)菌條件下可靠而又很容易地形成或涂覆材料的一種打印裝 置、一種打印系統(tǒng)以及一種打印方法是個(gè)問題。
[0004] 這一問題是通過權(quán)利要求1所限定的三維打印裝置、具有權(quán)利要求33限定的特征 的打印系統(tǒng)以及具有權(quán)利要求44限定的特點(diǎn)的打印方法來(lái)解決的。在從屬權(quán)利要求中限定 了優(yōu)選的實(shí)施方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)一個(gè)方面的三維打印裝置
[0006] 一個(gè)方面涉及一種三維打印裝置，包括：
[0007] -可殺菌的打印機(jī)組件，包括
[0008] -至少一個(gè)打印頭，
[0009] -打印平臺(tái)，以及
[0010] --驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，適合沿二自由度或三自由度在至少一個(gè)打印頭與所述打印平臺(tái)之間 實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移；
[0011] -打印機(jī)殼，以無(wú)菌方式封裝所述打印機(jī)組件，
[0012 ]-至少一個(gè)無(wú)菌連接器，流體連接到至少一個(gè)打印頭中對(duì)應(yīng)的一個(gè)。
[0013] 所述打印機(jī)組件用在一次性應(yīng)用，因此用后可丟棄。優(yōu)選地，所述三維打印裝置包 括打印機(jī)殼是一次性的，并且一次性使用后可丟棄。所述打印機(jī)殼能包括剛性墻或柔性墻， 并且優(yōu)選地由可殺菌的材料制成。
[0014] 所述打印機(jī)組件是無(wú)菌的或可殺菌的，例如，通過伽瑪輻照，高壓滅菌或比如環(huán)氧 乙烷或汽化過氧化氫的化學(xué)殺菌劑。
[0015] 所述打印機(jī)組件能包括單個(gè)打印頭或多個(gè)打印頭。所述打印頭中的每一個(gè)可使用 增材制造 (additive manufacturing)的專項(xiàng)技術(shù)，比如擠壓、恪融沉積塑形、加熱擠出、噴 射沉積、顆粒材料粘結(jié)、光聚合等等。這些打印頭適合將材料沉積在打印平臺(tái)或打印托盤或 在打印平臺(tái)或打印托盤上的任何物體上。三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的文件可用作構(gòu)建所 述三維打印結(jié)構(gòu)的說明。通過沉積適當(dāng)?shù)拇蛴〔牧?，可以?chuàng)建或形成三維物體。其他適當(dāng)?shù)?打印材料能用于涂覆二維物體或三維物體。
[0016] 為打印三維物體，允許在至少一個(gè)打印頭與所述打印平臺(tái)之間沿二自由度有相對(duì) 位移就足夠，其中物體的三維是通過沉積打印材料創(chuàng)建的。所述打印平臺(tái)和至少一個(gè)打印 頭沿三自由度的位移是可選擇的。為獲得相對(duì)位移，可移動(dòng)至少一個(gè)打印頭或所述打印平 臺(tái)。具體地，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)適合促使所述至少一個(gè)打印頭相對(duì)于所述打印平臺(tái)沿二自由度 或三自由度移動(dòng)?；蛘撸鲵?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)適合促使所述打印平臺(tái)相對(duì)于至少一個(gè)打印頭沿二 自由度或三自由度移動(dòng)。
[0017] 增材制造步驟完成后，整理頭(finishing head)能用于消減移除三維物體上的材 料。消減過程中產(chǎn)生的碎片可隨流體介質(zhì)涌入碎片托盤，并且在所述碎片盤內(nèi)流體回流時(shí) 過濾掉碎片。
[0018] 任選地，所述三維打印機(jī)的所述無(wú)菌連接器包括一次性無(wú)菌連接器，無(wú)菌式連接 和無(wú)菌式流體轉(zhuǎn)移能發(fā)生在至少兩個(gè)相連的互補(bǔ)的無(wú)菌連接器之間。此外，所述無(wú)菌連接 器附加地能包括能以無(wú)菌方式熱連接到一個(gè)互補(bǔ)的無(wú)菌連接器上的熱塑管。熱連接可通過 焊接、超聲焊接、部分熔融以及熱塑性膠粘結(jié)中的至少一個(gè)來(lái)執(zhí)行。
[0019] 任選地，所述打印機(jī)殼的內(nèi)體積借助于通氣過濾器與外部流體連接。所述通氣過 濾器可以是殺菌級(jí)通氣過濾器，以保持所述打印機(jī)殼內(nèi)部處于無(wú)菌狀態(tài)。封裝所述打印機(jī) 組件的所述打印機(jī)殼的內(nèi)部可填充有同質(zhì)氣體混合物或異質(zhì)氣體混合物，比如壓縮空氣， 氮?dú)?，二氧化碳，或其他混合物，并且可利用通氣過濾器，優(yōu)選地殺菌級(jí)通氣過濾器，與外部 進(jìn)行通氣。
[0020] 任選地，至少一個(gè)打印頭在固定位置，并且所述打印平臺(tái)可沿二自由度或三自由 度移動(dòng)。自由度可以是沿線性軸移動(dòng)或繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。因此，三自由度能包括三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸或 能包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和一個(gè)線性軸或能包括一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和兩個(gè)線性軸或能包括三個(gè)線性軸。 優(yōu)選地，自由度均采用相互正交的線性軸，因此，這些軸限定笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)。
[0021] 任選地，所述三維打印機(jī)的至少一個(gè)打印頭在固定位置，并且所述打印平臺(tái)可沿 二軸框架或三軸框架移動(dòng)。所述打印平臺(tái)可利用氣動(dòng)執(zhí)行器或磁性執(zhí)行器沿軸框架移動(dòng)。
[0022] 任選地，所述氣動(dòng)執(zhí)行器包括至少一個(gè)袋或囊，通過向至少一袋或囊內(nèi)提供流體 壓力使至少一個(gè)袋或囊在至少一個(gè)方向伸展。為獲得所述打印平臺(tái)的精確移動(dòng)和定位，所 述氣動(dòng)執(zhí)行器能包括粗糙袋和精細(xì)袋，其中當(dāng)所述粗糙袋和所述精細(xì)袋填充有相同體積的 流體或當(dāng)相同的內(nèi)部流體壓力施加到這些袋時(shí)，所述粗糙袋在至少一個(gè)方向上比所述精細(xì) 袋更具伸展性。另外，所述打印平臺(tái)可包含多個(gè)粗糙袋和精細(xì)袋，多個(gè)粗糙袋和精細(xì)袋能用 于自動(dòng)修正所述打印平臺(tái)和使用中的所述打印頭之間的距離。
[0023] 作為一個(gè)選擇，所述氣動(dòng)執(zhí)行器能包括至少一臺(tái)流體致動(dòng)電機(jī)，至少一臺(tái)流體致 動(dòng)電機(jī)沿軌道或螺紋螺釘移動(dòng)來(lái)沿對(duì)應(yīng)軸定位所述打印平臺(tái)。所述流體致動(dòng)電機(jī)能包括任 何氣體或氣液混合物。具體地，流體能包括空氣、氮?dú)?、或任何惰性氣體。
[0024] 作為進(jìn)一步選擇，所述三維打印機(jī)能包括磁性致動(dòng)器，該磁性致動(dòng)器包括至少一 臺(tái)磁性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并且可通過互補(bǔ)的外部磁性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)或線性移動(dòng)。
[0025]任選地，所述三維打印機(jī)包括位置跟蹤系統(tǒng)，也叫精確跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能確定所 述打印平臺(tái)沿三自由度的每個(gè)自由度相對(duì)于所述至少一個(gè)打印頭的位置。因此，借助于所 述跟蹤系統(tǒng)，可以精確地測(cè)量在三軸框架內(nèi)的所述打印平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)坐標(biāo)。為獲得所 述打印平臺(tái)沿一個(gè)或多個(gè)框架軸最大定位精度，沿同一個(gè)自由度的軸可使用多個(gè)(磁性或 氣動(dòng))致動(dòng)器。具體地，兩個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器可致動(dòng)對(duì)應(yīng)的軌道或螺紋螺釘，來(lái)提供打印平臺(tái) 移動(dòng)的粗糙到精細(xì)的分辨率。可提供位置控制器來(lái)控制和自動(dòng)修正所述致動(dòng)器的移動(dòng)，從 而將所述打印平臺(tái)定位到通過至少一個(gè)打印頭的材料的沉積需要的準(zhǔn)確坐標(biāo)。
[0026] 所述跟蹤系統(tǒng)能包括激光跟蹤系統(tǒng)，該激光跟蹤系統(tǒng)包括設(shè)置在所述三維打印機(jī) 組件外部的外部激光源、在所述打印平臺(tái)的至少一部分上的鏡子或反射材料、用于探測(cè)反 射激光發(fā)射時(shí)間與角度的激光探測(cè)裝置、以及計(jì)算并報(bào)告所述打印平臺(tái)相對(duì)于至少一個(gè)打 印頭的坐標(biāo)的計(jì)算系統(tǒng)。
[0027] 或者，所述跟蹤裝置能包括在所述三維打印機(jī)組件外部的多臺(tái)攝像機(jī)、在所述打 印平臺(tái)的至少一部分上的可見目標(biāo)材料、以及計(jì)算并報(bào)告所述打印平臺(tái)相對(duì)于至少一個(gè)打 印頭的坐標(biāo)的計(jì)算系統(tǒng)。這些攝像機(jī)可以是具有高分辨率的宏觀攝像機(jī)，比如HDTV攝像機(jī) 或總體上水平分辨率為1000像素以上的攝像機(jī)。
[0028]任選地，所述三維打印機(jī)包括轉(zhuǎn)移艙口，該轉(zhuǎn)移艙口適合移除包含三維打印物體 的所述打印平臺(tái)。借助于所述轉(zhuǎn)移艙口，物體可以無(wú)菌方式從所述打印機(jī)殼轉(zhuǎn)移出來(lái)或轉(zhuǎn) 移到所述打印機(jī)殼。因此，所述轉(zhuǎn)移艙口可形成于所述述打印機(jī)殼的壁上。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn) 移艙口無(wú)菌地連接到無(wú)菌轉(zhuǎn)移袋，該無(wú)菌轉(zhuǎn)移袋允許包含三維打印物體的所述打印平臺(tái)在 打印物體轉(zhuǎn)移時(shí)保持無(wú)菌性。
[0029] 任選地，所述三維打印機(jī)能包括用于分配一卷薄膜或幾張薄膜的薄膜分發(fā)器，在 所述一卷薄膜或幾張薄膜上可借助于所述打印組件打印。借助于至少一個(gè)打印頭，可在薄 膜上打印蛋白質(zhì)、抗體、分子、結(jié)構(gòu)腳手架(scaf f ο 1 ding)或其他打印材料。這些打印材料可 以存儲(chǔ)在位于無(wú)菌打印機(jī)殼內(nèi)的對(duì)應(yīng)打印頭的罐內(nèi)或可通過流體線從外部打印材料源獲 得。所述流體線可以永久固定在所屬的打印頭上，具體地來(lái)保持所述打印材料和/或打印頭 無(wú)菌?；蛘?，所述流體線可以可拆卸地連接到所屬的打印頭，例如，通過無(wú)菌式連接器。
[0030] 所述薄膜分發(fā)器可氣動(dòng)或磁性地驅(qū)動(dòng)。為能制造出不同尺寸、不同形狀的薄膜，所 述三維打印機(jī)可進(jìn)一步包括用于將一卷薄膜或幾張薄膜切為條、段、圖形、或片的薄膜切割 器。所述薄膜切割器可以是被動(dòng)的或主動(dòng)的。被動(dòng)薄膜切割器能包括一個(gè)或多個(gè)固定刀片， 因此，該被動(dòng)薄膜切割器利用薄膜卷的分配以利用所述靜刀片或切割模具將薄膜切為條。 主動(dòng)薄膜切割器能包括一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)刀片或旋轉(zhuǎn)刀片，因此，該主動(dòng)薄膜切割器利用所 述刀片的機(jī)械移動(dòng)來(lái)切割薄膜，其中，這些刀片可由氣動(dòng)致動(dòng)器或外部磁性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
[0031] 任選地，所述三維打印機(jī)進(jìn)一步包括收集從薄膜切下來(lái)的條、段、圖形、或片的收 集裝置，其中該收集裝置可沿所述三軸框架移動(dòng)，來(lái)收集在打印機(jī)殼內(nèi)不同位置的條等。
[0032] 根據(jù)借助于至少一個(gè)打印頭打印的所述打印材料，需要支持所述打印材料的固 定。例如，或許需要通過提供干燥空氣和/或熱空氣來(lái)支持溶解在水溶液中的打印材料的干 燥過程，并且熱塑材料或許需要冷卻，具體地通過向所述打印材料吹冷空氣來(lái)冷卻。因而， 所述三維打印機(jī)能包括干燥三維打印物體的干燥裝置。具體地，所述干燥裝置能包括干燥 空氣通孔，該干燥空氣通孔從外部空氣供應(yīng)裝置提供空氣。作為一個(gè)選擇，所述干燥空氣通 孔能包括殺菌級(jí)的通氣過濾器，該殺菌級(jí)的通氣過濾器用于過濾進(jìn)入的空氣，以保持所述 打印機(jī)殼內(nèi)無(wú)菌。
[0033] 所述熱空氣或冷空氣可由外部裝置提供并且通過通孔流入所述打印機(jī)殼內(nèi)，具體 地流到所述打印平臺(tái)。所述三維打印機(jī)能包括分散機(jī)構(gòu)，該分散機(jī)構(gòu)均勻地將熱空氣或冷 空氣分布在所示打印平臺(tái)的區(qū)域，尤其是在所述薄膜上，以干燥在薄膜上的打印材料。所述 三維打印機(jī)可選擇性地或另外包括加熱或冷卻裝置，該加熱或冷卻裝置為貼附在所述打印 機(jī)殼上或包含在打印機(jī)殼內(nèi)的一次性裝置。
[0034] 為保持所述打印機(jī)殼內(nèi)或多或少的恒壓，來(lái)自所述干燥空氣通孔的多余空氣可借 助于通孔，具體地，無(wú)菌通孔釋放入所述打印機(jī)殼的外部。相應(yīng)地，來(lái)自所述氣動(dòng)致動(dòng)器的 廢氣可釋放入所述打印機(jī)殼，該打印機(jī)殼通過通孔保持在環(huán)境壓力下。該通孔可作為空氣 壓力調(diào)節(jié)裝置，以保持所述打印機(jī)殼的內(nèi)部在環(huán)境壓力或在預(yù)定的低壓或超壓。
[0035] 為保持所述打印機(jī)殼內(nèi)溫度或多或少恒定，所述打印機(jī)殼的至少一部分可形成為 隔熱件或護(hù)套。該隔熱件或護(hù)套可包含防止熱轉(zhuǎn)移的絕熱層或包括通過隔熱件抽吸流體的 管或毛細(xì)管，來(lái)保持所述三維打印機(jī)內(nèi)的溫度恒定。
[0036]所述三維打印機(jī)也能包括溫度調(diào)節(jié)裝置，來(lái)保持所述打印機(jī)殼內(nèi)恒溫。溫度調(diào)節(jié) 裝置可測(cè)量所述打印機(jī)殼內(nèi)的所述三維打印裝置的內(nèi)部溫度，并且加熱或冷卻流入所述打 印機(jī)殼內(nèi)的流體來(lái)進(jìn)行所述打印材料的溫度調(diào)節(jié)和/或保溫。
[0037] 所述打印平臺(tái)可形成為打印托盤或能包括托盤，該托盤能填充液體，優(yōu)選地，營(yíng)養(yǎng) 豐富的液體，以在打印過程中為活細(xì)胞提供生長(zhǎng)環(huán)境。所述托盤內(nèi)的流體可根據(jù)打印結(jié)構(gòu) 的要求進(jìn)行再循環(huán)、混合、過濾、或?yàn)r干和替換。
[0038] 任選地，通過所述打印平臺(tái)或至少一個(gè)打印頭來(lái)提供電荷。因而，所述至少一個(gè)打 印頭和/或所述打印平臺(tái)的每一個(gè)能包括電極，來(lái)產(chǎn)生和分布小電荷。已調(diào)節(jié)的電荷能用于 在器官生長(zhǎng)、孵化或發(fā)育的過程中刺激位于所述打印平臺(tái)，具體地在托盤上的細(xì)胞。
[0039] 任選地，所述三維打印機(jī)能包括水平地調(diào)平所述打印平臺(tái)的調(diào)平裝置。借助于所 述調(diào)平裝置，可確保所述三維打印機(jī)以及所述三維打印機(jī)的打印平臺(tái)或托盤在打印過程中 調(diào)平。另外，所述調(diào)平裝置能用于自動(dòng)修正所述打印平臺(tái)和使用中的所述打印頭之間的距 離。
[0040] 根據(jù)一個(gè)方面的打印系統(tǒng)，
[0041] -個(gè)方面涉及一種打印系統(tǒng)，具有 [0042] 三維打印裝置，包括：
[0043]-可殺菌的打印機(jī)組件，包括
[0044] -至少一個(gè)打印頭，
[0045] -打印平臺(tái)，以及
[0046] -驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，適合沿二自由度或三自由度在至少一個(gè)打印頭與所述打印平臺(tái)之間 實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移；
[0047] -打印機(jī)殼，以無(wú)菌方式封裝所述打印