激光打印方法和用于執(zhí)行所述方法的裝置與流程

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本發(fā)明涉及一種激光打印方法和用于實現(xiàn)所述方法的裝置。

墨水打印在許多領域中用來重現(xiàn)復雜的設計。因此，特別是可以在諸如生物學、電子學、材料或鐘表制造等多個領域中實施元件打印。在這些領域遇到的問題類似，特別是涉及用于以非常小的規(guī)模制造元件組合的需求。包括在特定位置沉積材料的圖案的再現(xiàn)可以通過使用掩?；蚪柚谶x擇性消融的步驟在化學或物理上進行。

為了克服這些方法的缺點(污染的風險、復雜的實施、沉積數(shù)種元件的困難組合)，已經開發(fā)了墨水打印方法。這些方法的優(yōu)點有為適于使用與其相關的計算機輔助設計工具非常自由地生成元件圖案。

在生物學領域，取決于結構，所述打印方法稱為生物打印、生物元件的微印或簡單的生物打印。

根據這些方法，通過打印生物墨水的液滴獲得生物組織。為了達到一定的體積，液滴被布置成彼此堆疊的層。

在第一個實施方式中，墨水被儲存在罐中并通過噴嘴或毛細管，以形成會轉移到基板上的液滴。這種所謂噴嘴打印的第一替代方案包括生物擠出、噴墨打印或微閥打印。

生物擠出使得可以獲得1億個細胞/毫升量級的高細胞密度，和1毫米的分辨率。

微閥打印使得可以獲得數(shù)百萬個細胞/毫升量級的較小的細胞密度及100μm量級的更好的分辨率。噴墨打印使得可以獲得小于1000萬個細胞/毫升的與微閥打印相似的細胞密度，及10μm量級的更好的分辨率。

在生物擠出的情況下，從第一噴嘴沉積細胞，并且同時從第二噴嘴沉積水凝膠。作為替代方案，在擠出之前將細胞和水凝膠在罐中混合。在另外兩種情況下，墨水是含有細胞的水性介質。根據替代方案，生物擠出使得可以連續(xù)地將墨水作為細絲或不連續(xù)地作為液滴沉積。

根據這種噴嘴打印模式，由于打印分辨率特別與噴嘴部分相關，僅具有給定流變特性的生物墨水可用于高分辨率。具有高細胞密度的生物墨水因此難以以高分辨率打印，因為這種打印技術在墨水通過噴嘴時引起易于損壞細胞的高剪切應力。此外，對于這種類型的墨水，噴嘴被細胞阻塞的風險很重要，這主要是因為罐內的細胞沉淀。

已經開發(fā)了通過激光打印生物元件的方法，以便能夠使用廣泛的生物墨水并實現(xiàn)高分辨率。被稱為激光生物打印的這種打印方法也被稱為“激光輔助生物打印”(lab)。具體而言，本發(fā)明涉及這種類型的打印方法。為了進行比較，生物激光打印使得可以以1億個細胞/毫升的高細胞密度和10μm的分辨率打印墨水。

類似地，也在其他領域開發(fā)了激光打印，以便提高分辨率和擴大可用墨水的范圍。

與噴嘴打印技術相比，激光打印提供更大的使用靈活性(能夠打印在柔軟、不平坦的表面上...)，降低剪切應力，并限制沉淀的風險。根據另一個優(yōu)點，可以從幾微升量級的小量墨水進行打印，這對于昂貴材料的沉積是有趣的。最終，如wo2011/107599中所述，可以使用打印系統(tǒng)來查看和選擇液滴區(qū)域。

如圖1所示，基于所謂的“激光誘導正向轉移”(lift)技術的用于激光打印生物元件的裝置包括：發(fā)射激光束12的脈沖激光源10，用于聚焦和定向激光束12的系統(tǒng)14，包括至少一種生物墨水18的供體基板16和經放置以接收從供體基板16發(fā)射的液滴22的接收基板20。

根據該打印技術，激光束是脈沖的，并且在每個脈沖上產生液滴。

生物墨水18包含例如水性介質等基質，其中存在將沉積在接收基板20上的例如細胞等元件。供體基板16包含對激光束12的波長透明的刮板24，其涂覆有吸收層26，在吸收層26上生物墨水18作為膜固定。

吸收層26使得可以將光能轉化為動能。因此，激光束12在吸收層26處產生精準加熱，該吸收層26通過蒸發(fā)產生氣泡28，氣泡28通過膨脹引起生物墨水的液滴30的噴射。

根據已知的布置，激光束12通過在大致垂直方向和向上的方向上或與重力g相同的方向上定向沖擊供體基板16。因此，生物墨水18被放置在刮板24下以使其向下定向，朝向放置在供體基板16下方的接收基板20。

鑒于這種布置，生物墨水18具有厚度e低于給定閾值的膜的形式以保持在刮板上。特別是，該閾值根據生物墨水的表面張力、粘度和密度而變化。

來自墨水膜的液滴30的形成取決于許多參數(shù)，特別是與激光束12(波長、能量、脈沖持續(xù)時間、...)、生物墨水18的性質(表面張力、粘度、...)、外部條件(溫度、濕度、...)相關。

液滴30的形成也取決于生物墨水膜的厚度e。如果生物墨水膜的厚度e不處于由下限和上限限定的厚度范圍內，則不會形成液滴。如果厚度e具有高于上限的值，則由于氣泡28的膨脹太弱而不能到達膜的自由表面，所以不會形成液滴。如果厚度e具有低于下限的值，則氣泡28將在自由表面處爆裂，導致多個微滴不受控制地朝向接收基板投射。

因此，在供體基板16的整個表面上，膜厚度e必須基本上恒定，以在受激光束12影響的供體基板16的任何區(qū)域獲得形成液滴的再現(xiàn)性?，F(xiàn)在，如圖1所示，該厚度e不恒定。

這種再現(xiàn)性問題不限于生物墨水的情況。在使用墨水膜的激光打印期間，其在何種領域都是存在的。

為了解決這個問題，2011年10月1日在www.elsevier.com網站上發(fā)表的題為“microdropletdepositionthroughafilm-freelaserforwardtechnique”的出版物提供了如圖2所述的裝置。如前所述，該裝置包括發(fā)射激光束34的激光源32，用于聚焦和定向激光束34的系統(tǒng)36，包含至少一種生物墨水40的供體基板38，和經放置以接收從供體基板38發(fā)射的液滴44的接收基板42。

根據該出版物，供體基板38包括沒有上壁的罐46，使得容納在罐中的生物墨水40的自由表面48面向接收基板42。為了獲得規(guī)則的基本平坦的自由表面48，生物墨水不是薄膜，而是深度為3mm級別的體積。因此，罐底部對生物墨水的自由表面48的形狀沒有影響，并且由于表面張力，罐的側壁在自由表面48的周圍具有有限的作用。

鑒于生物墨水的體積的深度，自由表面48必須向上以停留在罐中，且接收基板42位于生物墨水40之上。

根據此文獻，為了獲得液滴的噴射，激光束34剛好在自由表面48的下方聚焦，并具有40μm至80μm量級的深度。因此，從自由表面48發(fā)射的液滴在與重力g的方向相反的運動方向上朝向接收基板42投射。

盡管該出版物提出的解決方案使得可以獲得墨水的平坦的自由表面48，但是它不一定適用于諸如生物墨水等懸浮液形式的墨水。事實上，如上所述，這樣的生物墨水含有嵌入基質中的待打印的元件，例如細胞，其傾向于沉淀在罐底部。由于在自由表面附近待打印的元件的濃度低，打印的液滴具有事實上的低細胞濃度，這通常對打印的生物組織是不利的。此外，根據該方法，難以控制細胞數(shù)量和沉積細胞的濃度。

這種沉淀問題不僅限于生物墨水。

因此，無論所述墨水的應用領域如何，在如懸浮液(諸如液體基質中的顆粒或納米顆粒的懸浮液)等墨水的激光打印期間都發(fā)現(xiàn)該問題。

根據該出版物的方法的另一缺點，墨水必須能夠吸收激光束，這可能會限制可以使用該技術打印的墨水的范圍。

因此，本發(fā)明旨在提供一種能夠以高精度打印多種元件的打印方法來彌補現(xiàn)有技術的缺點。特別是，本方法使得可以打印多種生物元件，特別是從而獲得復雜的生物組織。出于此目的，本發(fā)明涉及一種用至少一種墨水打印的方法，所述方法包括聚焦激光束以在墨水膜中產生空腔的步驟，從墨水膜的自由表面形成至少一個墨水液滴的步驟，和將所述液滴沉積到位于距離膜給定距離處的接收基板的沉積表面上的步驟，其特征在于，所述激光束指向與重力方向相反的方向，其中膜的自由表面向上朝向位于墨水膜上方的沉積表面。

特別是，這種構造使得可以獲得墨水膜的基本恒定的厚度e，同時限制沉淀現(xiàn)象的發(fā)生。此外，它使得可以應用多種墨水。

使用根據本發(fā)明的方法打印的墨水可以是任何液體墨水，并且可以是溶液或懸浮液。

在可用的墨水中，可提及生物墨水、用于電子或制表的墨水。

根據一個應用，所述墨水是生物墨水。

根據另一個特征，膜具有小于500μm的厚度，和/或具有大于或等于10的自由表面尺寸與膜厚度的比。

優(yōu)選調節(jié)墨水膜和沉積表面之間的距離和/或光束激光能量，從而使當液滴接觸沉積表面時，液滴的動能幾乎等于零。這種特征限制了損壞液滴中所含元件(細胞或其他元件)的風險。

根據一個實施方式，墨水膜和沉積表面之間的距離等于1mm～2mm，并且調節(jié)光束激光能量，從而使當液滴接觸沉積表面時液滴的動能幾乎等于零。

根據另一個特征，打印方法包括激光束能量的初步校準階段。該校準階段包括：在激光束的沖擊之后的設定時間測量墨水膜的自由表面的變形的夾角的步驟，和作為夾角的測量值的函數(shù)調節(jié)激光束能量的步驟。

激光束能量被調節(jié)為使夾角小于或等于105°。在這種情況下，激光束能量足以引起液滴的形成。

有利的是，激光束的能量被調節(jié)為使夾角大于或等于第二閾值，以在形成的液滴到達沉積表面時獲得幾乎等于零的動能。

對于膜厚度為40μm～50μm量級的墨水(優(yōu)選為生物墨水)，測量夾角的時間優(yōu)選為自激光束沖擊起的4μs～5μs的量級。

有利的是，所述墨水膜的厚度大于20μm。

對于待打印元件濃度高的懸浮液形式的墨水，墨水膜的厚度優(yōu)選為40μm～60μm。有利的是，為了改善待打印元件的沉積精度，墨水膜74的厚度e為1.5d～2d，其中d是具有近似球形形狀的待打印元件的直徑，或待打印元件所內接的球形的直徑。

本發(fā)明還涉及一種用于實現(xiàn)本發(fā)明的打印方法的打印裝置。它包括：

-至少一個被配置為發(fā)射激光束的脈沖激光源，

-用于聚焦和定向所述激光束的光學系統(tǒng)，

-至少一個供體基板，其上至少附有具有自由表面的墨水膜，和

-至少一個包含沉積表面的接收基板。

所述打印裝置的特征在于，激光束指向與重力相反的方向，并且膜的自由表面向上朝向位于墨水膜上方的沉積表面。

其他特征和優(yōu)點將從以下對本發(fā)明的描述中顯現(xiàn)，并且所述描述僅通過示例的方式參考附圖給出，其中：

-圖1是示出現(xiàn)有技術的替代方案的激光打印裝置的示意圖，

-圖2是示出本發(fā)明的另一替代方案的激光打印裝置的示意圖，

-圖3是示出本發(fā)明的激光打印裝置的示意圖，

-圖4a至4d是示出根據不同速率是否形成液滴的側視圖，

-圖5a至5d是示出在其形成的不同時間的液滴的圖，最后的圖5d示出了液滴到達接收基板的時間，

-圖6是供體基板一部分，其示出了待打印的元件的尺寸與生物墨水膜的厚度之間的關系，

-圖7a和7b是示出在形成液滴之前在生物墨水膜的自由表面上形成以不同激光束能量同時產生的突起的側視圖，

-圖8是根據本發(fā)明的一個實施方式的打印裝置的示意圖，其組合了至少一個激光型打印頭和至少一個噴墨型打印頭，

-圖9是根據本發(fā)明的一個實施方式的打印裝置的透視圖，其組合了一個激光型打印頭和數(shù)種噴墨型打印頭，

-圖10是當用噴墨型打印頭進行打印時圖9的打印裝置的一部分的透視圖，

-圖11是當用激光型打印頭進行打印時圖9的打印裝置的一部分的剖視圖，

-圖12是待復制的生物組織的一部分的3維示像的透視圖，

-圖13是圖12的示像的切片的透視圖，

-圖14是圖13的切片的俯視圖，其示出了生物墨水液滴的定位。

圖3顯示打印裝置50，其根據各種組分如細胞外基質和各種成型素的預定布置，通過逐層組裝來生產至少一個生物組織。因此，打印裝置50使得可以將至少一種生物墨水54的液滴52逐層沉積到沉積表面56(對應于接收基板58的表面)上，用于第一層或沉積在用于后續(xù)層的所述接收基板58上的最后層。

為了簡化示像，沉積表面56對應于圖3中的接收基板58的表面。

根據圖6中的一個實施方式，生物墨水54包含基質60，例如水性介質，其中可發(fā)現(xiàn)待打印到沉積表面56上的元件62，例如細胞或細胞聚集體。

這種情況可以是，生物墨水54在基質60中僅包含一種待打印的元件62或幾種待打印的元件62。在替代方案中，生物墨水54可以僅包含一種組分。

對于本專利申請，生物墨水是指生物性材料或生物材料。例如，生物墨水僅包含細胞外基質(例如，膠原蛋白)、細胞外基質和諸如細胞或細胞聚集體等元件、含有諸如細胞或細胞聚集體等元件的水性介質。

不再進一步描述生物墨水54，因為一種墨水與另一種墨水可具有不同類型和不同的流變特性。

該打印裝置包括被配置為發(fā)射激光束66的激光源64，激光束66具體而言特征在于其波長、其頻率、其能量、其直徑、其脈沖持續(xù)時間。激光源64優(yōu)選可以被配置成調節(jié)激光束的至少一個特性，特別是其能量。

為了形成彼此分離的液滴，激光源64是脈沖源。為了給出數(shù)量級，可以噴出10,000個液滴/秒。

例如，激光源64是波長為1,064nm的激光源。

除了激光源之外，打印裝置50包括光學系統(tǒng)68，其能夠沿垂直于沉積表面56的z軸調節(jié)焦點。有利的是，光學系統(tǒng)68包括透鏡，其可以使激光束66聚焦到所沖擊的區(qū)域。光學系統(tǒng)68優(yōu)選包括改變受沖擊區(qū)域的位置的反射鏡。因此，光學系統(tǒng)68使得可以在圖3中的標記pi的沖擊平面中改變通過激光束沖擊的區(qū)域。

也不進一步描述激光源64和光學系統(tǒng)68，因為它們是本領域技術人員已知的，并且可以與現(xiàn)有技術的那些相同。

打印裝置50還包括至少一個供體基板70，根據一個實施方式，供體基板70包括用于激光束66的波長的吸收層72，其上固定有至少一種生物墨水的膜74。

在以下描述的部分中，膜意味著生物墨水占據具有小于500μm的厚度(在垂直于沖擊平面pi的方向上的尺寸)的體積。

與罐不同，生物墨水作為膜包裝使得可以避免沉淀現(xiàn)象。

吸收層72由適于激光束66的波長的材料制成，以將光能轉換成吸收層72的精準加熱。

供體基板70優(yōu)選被放置為使光學系統(tǒng)將激光束聚焦在吸收層72上。

根據一個實施方式，根據激光束66的波長，吸收層72由金、鈦或其它組分制成。

根據另一個實施方式，供體基板70不包括吸收層72。在這種情況下，激光束66的能量被墨水吸收。

供體基板70優(yōu)選包括由對于激光束66的波長透明的材料制成的刮板76，在刮板76的一個面上包括對應于吸收層72的涂層。刮板76的存在賦予供體基板70硬度，其使得可以控制和保持在沖擊平面pi中基本平坦的墨水和/或吸收層72。

生物墨水膜74包括自由表面78，其與吸收層72之間的距離e對應于膜74的厚度，并且與沉積表面56之間的距離為l。自由表面78和沉積表面56彼此面對。

如圖3所示，激光束66適于在吸收層和生物墨水膜74之間的界面處產生空腔80，生物墨水膜74產生液滴82，液滴82從自由表面78分離以移動到沉積表面56。

在描述的以下部分中，垂直方向與重力g平行，上下方向與重力g的方向相對應。

激光束66的方向和液滴的移動方向平行于垂直方向。

向上打印：

根據本發(fā)明的一個特征，激光束66和由此的液滴82的運動朝向與重力g相反的方向。因此，生物墨水膜74的自由表面78向上。當從生物墨水膜74移動到沉積表面56時，液滴82沿上下方向向上移動。

此構造提供以下優(yōu)點：

-由于生物墨水是一種膜形式，限制了沉淀現(xiàn)象的發(fā)生，

-由重力g對膜74的自由表面78的形狀的影響被向上朝向的自由表面78限制，可以獲得用于生物墨水膜74的基本上恒定的厚度e，

-當使用生物墨水膜74的獨立吸收層72將光能轉換為精準加熱時，使得可以使用多種生物墨水。

在接收基板上沉積液滴時幾乎為零的動能：

來自生物墨水膜的液滴82形成將取決于許多參數(shù)，主要是生物墨水的特征、激光束的特征和實施條件。

圖4a至4d顯示對于激光束66能量的不同值，在生物墨水膜的自由表面變形時的演變，其導致或不導致液滴形成，激光束66的能量在圖4a中為21μj，圖4b中為35μj，圖4c中為40μj，圖4d中為43μj。

對于相同的生物墨水并且在相同的實施方式條件下，可以注意到，根據激光束的能量存在幾種速率。

如圖4a所示，如果激光束的能量小于下閾值，則液滴不會從生物墨水膜74中脫離。因為在墨水膜74的自由表面78處產生的變形84的最大高度小于膜74和沉積表面56之間的距離l，沒有元件被打印。根據所選實例，下限閾值范圍為21μj～35μj。如圖4d所示，如果激光束的能量高于上閾值，則膜內產生的氣泡80在自由表面處破裂，從而導致微滴的不受控制的投射。根據所選實例，上閾值范圍為40μj～43μj。

如圖4b和4c所示，在下閾值和上閾值之間，該速率使得其能夠形成噴射。

如果膜74和沉積表面56之間的距離l足夠，則該速率能夠使得形成液滴。

距離l優(yōu)選為1mm～2mm的量級，以能夠形成液滴，而不是從膜延伸到沉積表面的連續(xù)噴射。該構造限制了由生物墨水獲得的生物組織污染的風險。

根據本發(fā)明的另一特征，如圖5d所示，對于相同的生物墨水并且在相同的實施方式條件下，墨水膜74和沉積表面56之間的距離l和/或束激光器66的能量被調節(jié)為使當液滴82接觸沉積表面56時，液滴的動能幾乎等于零。該構造限制了損壞待打印的元件(細胞)的風險。

幾乎等于零意味著動能為零或是略微正的，以使液滴沉淀在沉積表面56上。

這種情況是可能的，因為液滴82在與重力g相反的方向上移動。

生物墨水膜74和沉積表面56之間的距離l優(yōu)選是固定的。因此，調節(jié)激光束66的能量，從而使當液滴82接觸沉積表面56時，液滴的動能幾乎等于零。

無論何種應用，以零速度進行沉積的速率打印都會降低當接觸沉積表面時液滴飛濺的風險。

校準技術：

如上所述，液滴的形成不僅與激光束的能量有關。它也與生物墨水的性質，特別是粘度、表面張力及其實施條件有關。

圖5a至5d，7a至7d示出的校準方法用于確定激光束的能量以獲得液滴的形成和沉積的最佳速率，特別是導致在給定距離l處以零速度沉積的速率。

圖5a至5d顯示在圖5a所示的激光束的沖擊時和液滴82沉積在沉積表面56時之間的形成液滴82的某些步驟。

根據本發(fā)明的一個特征，用于調節(jié)激光能量的校準方法包括以下步驟：在激光束66的沖擊后的設定時間t1測量生物墨水膜74的自由表面78的變形86的夾角θ，及根據夾角θ的測量值調節(jié)激光束66的能量。

如圖5b、7a和7b所示，變形86相對于與垂直方向平行的中軸線am具有對稱的形狀。該變形86包括以中軸線am為中心的頂點s。該頂點s對應于離膜74的自由表面78的其余部分最遠的變形區(qū)域86。

在包含中軸線am的平面中，頂點s由中軸線am的一側上的第一側面88延伸，并且在中軸線am的另一側上由第二側面88'延伸，兩側面88、88'相對于中軸線am是對稱的。

每個面88、88'包括拐點。

第一側面88在其拐點處包括第一切線tg1，并且第二側面88'在其拐點處包括第二切線tg2，其中兩個切線tg1和tg2在中軸線am的點處交叉。

夾角θ對應于由切線tg1和tg2形成并面向膜74(或向下)形成的角。

為了形成液滴，夾角θ必須小于或等于第一閾值θ1。

如圖7a所示，如果夾角θ大于第一閾值θ1，則激光束的能量不足以產生液滴。相反，如圖7b所示，如果夾角θ小于第一閾值θ1，則激光束能量足以產生液滴。

為了當所形成的液滴到達與膜74的自由表面78相距距離l處的沉積表面56時，獲得接近零的動能，夾角θ必須大于或等于第二閾值θ2。

夾角θ的值優(yōu)選使用在變形86的時間t1的取樣(拍攝)來確定。在一個實施方式中，使用照相機進行拍攝，該照相機的視軸垂直于垂直方向。

有利的是，時間t1取決于膜厚度，并且在一種墨水與另一種墨水之間具有極少的變化。對于厚度為40μm～50μm量級的膜厚度e，有利的是，從激光束沖擊起的時間t1為4μs～5μs的量級。該時間t1如圖5b所示。

第一閾值θ1大約等于105°。因此，如果在時間t1，夾角θ小于或等于105°，則激光束能量足以產生液滴82。

第二閾值θ2取決于沉積表面56和墨水膜74的自由表面78之間的距離l。第二閾值θ2與距離l成反比。

對于1mm量級的小距離l，第二閾值θ2較高，等于大約80°。將優(yōu)選相對較小的距離l，以減小噴射中的應力和液滴與沉積表面接觸時的應力。對于10mm量級的大距離l，第二閾值θ2較低，等于大約50°。如果需要遠程打印，則優(yōu)選相對較長的距離l，例如，如果供體基板70具有比沉積表面56位于其底部的孔的尺寸更大的尺寸。

用于校準激光束能量的這種技術使得可以通過減少噴射來優(yōu)化噴射的速度，以限制損壞包含在墨水中的元件(特別是在沉積表面56上沉積時)的風險。

墨水膜的厚度：

生物墨水組合物優(yōu)選包括高濃度的待打印的元件62，以獲得具有高細胞濃度的生物組織。在這種情況下，如圖3所示，液滴82包括待打印的元件62濃度高的體積分數(shù)。

對于高濃度的生物墨水，膜74的厚度e為40μm～60μm的量級。

為了提高待打印的元件的沉積精度，有利的是，生物墨水的膜74的厚度e為1.5d～2d，其中d是具有近似球形形狀的待打印元件62的直徑，或待打印元件62所內接的球形的直徑。

根據一個實施方式，對于直徑為10μm～15μm量級的較小待打印元件，生物墨水膜74的厚度e大于或等于20μm。當待打印元件62是細胞的聚集體時，膜的厚度e可以是400μm量級。

通常，當待打印元件62是單元細胞時，膜的厚度e小于100μm。

優(yōu)選地，膜74的特征在于(自由表面78的尺寸)/(膜厚度74)的比大于或等于10，有利的是，大于或等于20。自由表面78的尺寸對應于平行于沖擊平面pi的平面中膜74的自由表面78的最大尺寸。

組合激光型打印頭和噴嘴打印頭的打印技術：

根據本發(fā)明的另一個特征，所述打印方法使用至少用于第一生物墨水的至少一個激光型打印頭和至少用于第二生物墨水的至少一個噴嘴打印頭。

這種組合使得可以提高生產率。

噴嘴打印頭是指包括使第二生物墨水通過的孔口的打印頭。因此，噴嘴打印頭可以是噴墨型打印頭、微閥打印頭、生物擠出型打印頭。

每個激光型打印頭優(yōu)選與圖3中描述的打印頭相同。然而，本發(fā)明不限于這種類型的激光打印頭。可以考慮使用如圖1和圖2所示的激光型打印頭或其他打印頭。

不再進一步描述噴嘴打印頭，因為它們優(yōu)選與現(xiàn)有技術相同。

在包含由細胞外材料分離的獨立細胞的生物組織的情況下，優(yōu)選通過噴嘴打印頭沉積細胞外材料，并且優(yōu)選通過激光型打印頭沉積細胞。

由于細胞外材料對剪切效應較不敏感，因此可以使用噴嘴打印頭進行沉積。由于用于噴嘴打印頭的生物墨盒的體積遠大于用于激光型打印頭的通過供體基板70支撐的墨水的體積(40μm量級)，可以以高流速沉積細胞外基質的材料。盡管噴嘴打印頭能夠以高流速沉積墨水，但是由于每個用于激光型打印頭的供體基板都支持非常小的墨水體積，所以需要頻繁地改變這些，相對于噴嘴打印頭，其傾向于增加移除時間。

根據另一個特征，激光型打印頭和噴嘴打印頭被集成在同一臺機器中并在相同的坐標系中移動。這種構造使得可以簡化各種打印頭的相對定位，以提高移除精度并保證打印元件的完整性。

包括供體基板儲存室的打印裝置

圖8至11顯示根據本發(fā)明的一個實施方式的打印裝置。

打印裝置100包括支撐激光型打印頭102和多個噴墨型打印頭104、104'、104"的底盤。底盤100包括坐標系x、y、z，其中z軸在垂直方向上定向，并且x、y平面對應于水平面。

打印頭102、104、104'、104"相對于底盤100是固定的，并且被定位成使液滴垂直向上發(fā)射。

打印頭102、104、104'、104"在平行于y軸的第一方向上偏移。在一個實施方式中，噴墨型打印頭104、104'、104"連接在一起。激光型打印頭102與噴墨型打印頭104、104'、104"間隔開。

打印裝置還包括移動底盤106，用于引導和使移動底盤106相對于底盤100在與y、y、z軸平行的三個方向上移動的系統(tǒng)，以及用于控制移動底盤106的位移的控制系統(tǒng)。引導和位移系統(tǒng)及控制系統(tǒng)被選擇為實現(xiàn)關于移動底盤106相對于底盤的運動的微米精度。

如圖10所示，移動底盤106包括用于可釋放地附接至少一個接收基板58的框架108。當固定到移動底盤時，以微米精度控制接收基板58的移動。

激光型打印頭102包括相對于底盤固定的中空圓筒形主體110，其包含光學系統(tǒng)的一部分，并且其中定位有管狀部分112，管狀部分112包括向水平面開口的上端114。這些元件被配置成使由光學系統(tǒng)引導的激光束掃描上端114的部分。

各供體基板70有位于基座116上的盤形狀。

根據圖11中示出的一個實施方式，各基座116具有管形狀，其在其上邊緣處包括直徑與供體基板70的直徑相同且高度足以保持供體基板70的凹陷118。因此，該凹陷118使得可以相對于支撐它的基座定位供體基板70。

上端114和基座116具有彼此配合的形狀，使得基座116相對于上端114固定在給定的位置，并因此相對于底盤的x、y、z系得到固定。根據一個實施方式，基座116包括外凸緣120，該外凸緣120抵靠上端114并且使得可以沿z軸定位基座。在凸緣120下方，基座116包括與設置在管狀部分112內的錐形部分配合的截頭圓錐形表面122。這些形狀使得可以使基座116相對于管狀部分112居中并將其定位在xy平面中。磁性材料可優(yōu)選用于改進基座116相對于管狀部分112的定位。

有利的是，打印裝置124包括被配置為存儲至少一個基座116的室。室124包括用于輸入和輸出存儲的基座116的至少一個開口125。根據一個實施方式，室124具有平行六面體形狀。

室124優(yōu)選具有適于存儲幾個基座的尺寸。因此，打印裝置可以以相同的激光類打印頭102連續(xù)地打印幾種生物墨水。

基座116被儲存在基板126上，基板126包括凹陷128，即對于每個基座116有一個凹陷?；?26具有細長形狀，并且在其整個長度上包括u形切口128。根據如圖9所示的第一替代方案，基板126的長度沿著y軸定向。

根據第二個優(yōu)選實施方式，基板126的長度沿x軸定向，并且切口128朝向打印頭打開。

有利的是，室124在面向打印頭的第一側包括第一開口125，第一開口125能夠使基座116出來，并且在另一側上包括用于引入基座116的第二開口125'。

根據一個實施方式，室124包括用于定位基板126的引導系統(tǒng)(例如軌道)，其中基板126在下部中包括其橫截面與軌道的橫截面相嚙合的凹槽。該軌道在第二開口125'處打開。其優(yōu)選沿著x軸定向。

室124包括用于在室內保持適于生物墨水的氣氛、特別是對于溫度和/或濕度的封閉裝置。特別是，這種封閉裝置設置在各開口125、125'處。它們可以采取屏障或氣幕的形式。

除了室之外，打印裝置包括可移動夾具130，其用于移動室124和激光器型打印頭102之間的基座。在第一替代方案中，可移動夾具130固定到獨立于移動底盤106的移動托架132上，該移動底盤106被配置成沿x、y、z方向移動。

根據另一替代方案，可移動夾具130被固定在移動底盤106上。

根據一個實施方式，打印裝置包括拍攝裝置(未示出)，其視線垂直于垂直方向并且面向供體基板的上表面。該裝置可用于校準激光型打印頭102的激光束的能量。

使用生物打印產生生物組織的方法：

所述方法的第一步是產生待打印的生物組織的三維數(shù)字示像。

在圖12中，所述示像的一部分顯示(140)為立方體，其具有位于第二體積區(qū)域144內部的第一體積區(qū)域142，第二體積區(qū)域144本身位于第三體積區(qū)域146內。為了描述的目的，示像140被大大簡化。

各體積區(qū)域142、144、146顏色或紋理不同，各顏色或紋理對應于以下(不限于)的一組特征：材料、制造裝置、軌跡、...各顏色或紋理優(yōu)選對應于生物墨水。

所有體積區(qū)域142、144和146是封閉的。

有利的是，該示像包括多個小的基元體積，取決于它們屬于的體積區(qū)域，其具有不同的顏色或紋理。根據一個實施方式，示像140源自ply類型的計算機文件。

本方法的第二步是將示像140切成沿軸線z的一系列的堆疊層。在圖13中，已經分離了示像140的層148。

當根據體積區(qū)域的變化對示像140進行切片時，各層包括對應于新區(qū)域的邊緣。

如圖13所示，層148包括對應于第一體積區(qū)域142的第一區(qū)域142'，對應于第二體積區(qū)域144的第二區(qū)域144'和對應于第三體積區(qū)域146的第三區(qū)域146'。對于每個層，根據體積區(qū)域142、144、146的顏色或紋理而將區(qū)域142'、144'、146'著色或紋理化。

各層具有根據打印液滴的高度確定的厚度ε。

如果該層僅包含一種待打印的材料，則該層的厚度基本上等于液滴的高度。

當該層包含數(shù)種待打印的材料時，在第一種替代方案中，該層的厚度等于與每種材料相關的液滴高度的最小公倍數(shù)。這種替代方案的優(yōu)點在于使待打印物體的整個高度上的任何位移最小化并實現(xiàn)快速打印。

根據第二種替代方案，該層的厚度等于與每種材料相關聯(lián)的液滴的高度的最大公約數(shù)。該替代方案具有增加分辨率和層數(shù)的優(yōu)點。

例如，如果通過激光生物打印法打印第一材料，打印液滴的高度為10μm量級。如果使用微閥生物打印法打印第二材料，打印液滴的高度為100μm量級。在第一種替代方案中，所述層的厚度為100μm量級。在第二種替代方案中，所述層的厚度為10μm量級。各層優(yōu)選包括根據它們所屬的區(qū)域具有不同顏色的多個小的基元多邊形，例如三角形。

因此，待打印的對象對應于一組層，每一層包括一組多邊形，每個多邊形具有相關聯(lián)的顏色或紋理。

本方法的第三步在于根據著色或紋理化區(qū)域142'、144'、146'和每個液滴的預期體積，為各層確定各生物墨水的待打印液滴的位置。出于此目的，如圖14所示，各層的各區(qū)域142'、144'、146'填充有橢圓體142"、144"、146"，其尺寸取決于所述區(qū)域中待打印的生物墨水的液滴的尺寸。

對于每個區(qū)域，橢圓體具有相同的尺寸。所有橢圓體均具有平行焦軸。

橢圓形狀使得可以在兩個方向上(平行于焦軸的第一方向和垂直于第一方向的第二方向)調節(jié)液滴之間的距離。

每個橢圓體的中心對應于液滴中心的位置。

橢圓體按照大小的降序逐個區(qū)域定位，因此首先布置區(qū)域146'中的較大的橢圓體，最后布置區(qū)域142'中的較小的橢圓體。

在區(qū)域改變時，優(yōu)選根據兩個標準優(yōu)化定位：

--橢圓體中具有正確顏色或紋理的基元多邊形的最大比例例如為75％量級，

--橢圓體中具有錯誤顏色或紋理的基元多邊形的最小比例例如為5％量級。

可以容忍橢圓體重疊。

本方法的第四步是使打印了生物墨水液滴的沉積表面56的運動與各種打印頭同步。

對于生物激光打印，激光聚焦區(qū)域是每個激光打印橢圓的中心，每個橢圓是激光脈沖的對象。在這種情況下，沉積表面是固定的，激光掃描整個沉積表面。對于大于供體基板的沉積表面，也可以與激光掃描同步地移動基板(其中沉積表面是傾斜的)。

對于噴嘴生物打印，每個橢圓的中心對應于液滴在沉積表面56上的假設沖擊點。在這種情況下，打印噴嘴是固定的，基板移動。然而，打印噴嘴可以是可移動的。

應用：