CN101680011A - 用于制备包含结晶纤维素的结构的方法 - Google Patents

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Abstract

在包含结晶纤维素(10)的结构的制造方法中，在空心模具(5)中至少部分培养形成纤维素(10)的生物。空心模具(5)利用3D打印机(1)来制造，该3D打印机(1)由模型材料呈层状地构建空心模具(5)的至少一部分(2a，2b)。

Description

用于制备包含结晶纤维素的结构的方法
描述
发明背景
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的包含结晶纤维素的结构的制造方法、该结构、根据权利要求12的前序部分所述的空心模具的制造方法以及该空心模具。本发明还涉及3D打印机的用途。
背景技术
结晶纤维素结构可用于很多应用中，例如作为由从生物取出的细胞来进行活细胞体外培养(“组织工程”)的支撑结构，目的在于将培养的细胞植入相同的生物和以此方式获得或者修复组织功能。组织优选是软组织例如皮肤、肌肉或者脂肪组织，其与硬组织或者骨组织不同。
活组织通常包括大量特异化细胞，其通过信号分子的帮助来彼此影响，并认为细胞在低分子量物质浓度梯度内使本身进行取向并可以以某一特殊方式行动。这也被称为“位置信息”。组织的细胞之间存在被称为胞外基质的支撑结构，其由从细胞释放的大分子构成，并且使得细胞稳定在它们的特定位置中。如果胞外基质破坏和细胞变得融合，则正常的、有差异的体细胞不再能够识别自身和再次构建所失去的结构。然而，已经发现，如果使这些细胞达到它们与相应的相邻细胞的原始空间关系，则它们的正常功能可恢复。
一种已知的解决方法企图通过在特定的支撑结构(也称为支架)内“三维地”培养细胞来模拟胞外基质。支架通常是具有大内表面积的泡沫状多孔结构。国际申请公开WO 2006/096791公开利用各种现行的可吸收的和不可吸收的合成聚合物来生产所谓的纳米丝，由该纳米丝构成层状支架。相关的德国专利申请10 2007 006 843记载了结晶纤维素的支撑结构，其包括可定殖的空腔，例如类似于血管的支化管系统的形式。为制造这些支撑结构，描述了一种方法，其中利用木质醋杆菌菌株的形成纤维素的细菌来定殖空心腔。此处借助于螺旋蜡线例如夏蜡(summer wax)作为平行地相互堆叠和/或并排设置的间隔物，从而产生管系统。利用纤维素填充模具之后，通过熔化将蜡线移除。
结晶纤维素的结构也可以适合作为用于哺乳动物的植入物。国际申请公开WO2006/61026A1例如公开一种由细菌来源的微晶纤维素生产空心体的方法，据说其可植入小鼠颈动脉而没有不利作用，例如异体反应或者血栓形成。相关的德国专利申请10 2007 006 844描述由微晶纤维素制成的空心体来模拟(仿造)静脉。对于该生产方法，提出了一种具有模芯的空心模具，浇铸蜡体、薄金属板与手动引入的凹槽组合在一起形成模芯，该模芯被模壳包围。空心模具定殖有木质醋杆菌菌株的纤维素形成细菌。然后通过熔化将蜡移除并且使薄金属板机械地分离。
此处描述的用于空心模具的制造工艺很大程度上以人工干预为特征。此外，精确地匹配一个体部件是极其昂贵的，这是由于对于该情况空心模具常常不得不首先进行模拟。在蜡模芯通过熔化溶解的程度上，每个结构是独特的物品，因此仅仅在有限的程度上能被复制。特别地，通过现有技术的工艺，在空心结构中无法产生复杂的内部构造或者只能产生具有有限复杂性的内部构造。
美国公开说明书US 5,506,607还公开了一种3D打印机，其由固化模型材料层来构造三维模型层。所述层通过以液体或者可流动的粘度将模型材料的小滴从一个或多个喷嘴喷出到基材上形成，喷嘴和基材沿X、Y和Z方向可彼此相对移动。通过计算机控制基材和喷嘴，使得它们在X-Y平面上产生单个层。喷嘴或者基材另外沿Z方向移动，使得喷嘴可沿Z方向产生层叠的层。除了形成实际模型的模型材料之外，可喷射可移动的支撑材料，其支撑模型的另外的未支撑部分，例如H-形模型的横梁。
本发明所基于的问题
本发明的目的在于提供一种用于制造包含结晶纤维素的结构的改进方法以及这种结构。本发明的目的还在于提供3D打印机用于制造包含结晶纤维素的结构的新用途。本发明的目的还在于提供一种空心模具、用于制造该空心模具的改进的方法以及3D打印机用于制造空心模具的用途。
根据本发明的解决方案
为实现该目的，本发明教导一种根据权利要求1的特征的用于制造包含结晶纤维素的结构的方法、具有权利要求10所述特征的结构、具有权利要求11所述特征的3D打印机用于制造包含结晶纤维素的结构的用途、具有权利要求12所述特征的用于制造空心模具的方法、具有权利要求17所述特征的空心模具、以及具有权利要求18所述特征的3D打印机用于制造空心模具的用途。
根据本发明的结构可有利地用作例如植入物和/或用于活细胞培养，特别是来自哺乳动物或者人的细胞。
本发明的一个方面在于使用3D打印机的有利性能来制造支撑结构。因此本发明的一个可实现的优势是通过机械步骤来替代空心模具的手动的制造或加工步骤或者完全地省略这些手动的制造或加工步骤。
本发明的一个可实现的优势在于：通过利用空心模具，设计适于特定目的的结构或者模拟天然模型。本发明的进一步可实现的优势在于：通过利用3D打印机可重现地制造根据本发明的结构和空心模具。另外一个可能的优势在于：通过3D打印机，也可以利用复杂的模具实现根据本发明的结构。
本发明用于制造结构的方法的一个可实现的优势是：其可利用“损失模具”(lost mould)的原理，即可产生或者使用的在拆模步骤中至少部分丧失其形状的模具。
根据本发明的解决方案的结构和发展
可分别使用或者彼此结合使用的有利的实施方案和发展是从属权利要求的主题。
利用3D打印机能够仅仅产生空心模具的单个部件，优选一个或多个模芯，或者空心模具的全部部件。本发明包括的3D打印机是也为本领域技术人员所知的“快速成型系统”。通常用于牙科的3D打印机例如在美国专利US 5,506,607中公开的3D打印机可在适当的改变之后用作3D打印机。关于该打印机结构和功能的上述说明书的内容通过引用作为本公开的一部分。这也特别地应用于下文所提及的关于3D打印机及其操作方法的优选实施方案中公开的各个实施方案。
所述层优选通过从一个或多个喷嘴将呈液体或者具有可流动稠度的模型材料的小滴喷射到基材或者之前的层上来形成。该基材也可以是空心模具的一部分。然后优选在打印操作开始时将其放置到打印机中。优选地，模具的该部分可由模型材料或者另外的材料制成。喷嘴和基材优选可沿X、Y和Z方向彼此相对移动，特别优选利用数据处理单元来控制。关于这一点，可优选控制基材和喷嘴使得它们在X-Y平面中产生层。喷嘴或者基材可以还优选沿Z方向移动，使得喷嘴可产生后续层。
在本发明的一个优选实施方案中，由优选的可移动的支撑物材料来进一步层状地形成至少一个支撑物，以支撑模具(部件)的未支撑的区域，例如H-形模具的横梁。在通过3D打印机完成模具(部件)之后，例如通过在溶剂中溶解或者通过熔化优选将支撑材料移除，使得保留的(部件)模具可用于纤维素的培养。
优选地，在本发明的方法中，通过将连续喷射的模型材料滴布置成行，在每个层中初始地构成(部件)模具的一个或多个外轮廓和任选一个或多个内轮廓。当材料滴与相邻的滴相遇时，其优选仍然是至少部分熔融的，使得滴可彼此融合。由一个或多个轮廓包围的内空间可填充模型材料或者另外的材料。也能设想，在这种内空间中构建栅格状支撑结构。在一个优选的方法中，在相同的层中，喷射的滴与之前已经喷射的相邻滴至少部分交叠。构建布置成行的滴的双层的壁也可以是有利的。这些措施可有助于改善模具(部件)的表面质量。
在本发明的一个可以想象的实施方案中，将模型材料的至少部分熔融的滴喷射到粉末层(优选同样为模型材料的粉末层)中，使得粉末颗粒彼此相连以形成(部件)模具。
在本发明的一个优选实施方案中，空心模具包括至少一个模芯。该模芯可模拟例如脉管系统的空腔，血液通过该脉管系统在生物的体内流动。另一方面，空心模具也可以仅仅包括模壳。优选地，空心模具包括模壳和模芯，该模壳模拟例如静脉或者动脉的外部边界。借助于模芯和模壳可可以这种方式模拟脉管系统。
在本发明的一个实施方案中，空心模具的部件、特别是一个或多个模芯可发生不可逆的变形，以在培养形成纤维素的细菌之后移除空心模具。优选地，移除模具的步骤包括至少部分熔化模芯。在空心模具移除期间，优选基本上移除模芯，特别优选定量地移除，即没有残留。
模型材料的熔点优选为高于28℃，特别优选为30℃或更高，特别优选为60℃或更高。本发明该实施方案的一个可实现的优势是：利用3D打印机产生的模具的部件在纤维素培养期间保持稳定。在本发明的一个优选实施方案中，模型材料的熔点为95～110℃。本发明的该实施方案的一个可实现的优势是在利用3D打印机产生的模具部件的熔化期间，纤维素支撑结构未损伤。
在一个优选实施方案中，模型材料是疏水的。采用本发明的该实施方案时，其一个特征在于疏水材料被纤维素体的亲水性表面所排斥。本发明的该实施方案的一个可实现的优势是在模具移除期间可基本上定量地移除模型材料。
具体地，热塑性的蜡材料或者聚合物材料可用作模型材料。在一个特定的实施方案中，采用可被3D打印机用作模具成型材料的模型材料。特别地，可使用美国专利US 5,506,607第9列第65行～第10列第40行(表格)中提及的材料。本发明包括上述文献所提及的其它材料，作为用于利用3D打印机制造空心模具的材料。也可使用聚乙烯醇(PVA)或者牙科技术中已知作为模型材料的所谓“夏蜡”。一种优选的模型材料是由Solidscape Inc.，Marimack，New Hampshire(NH)，USA可得到的InduraCast。
如果在(部件)模具的制造中，除了模型材料之外还利用支撑材料，则模型材料优选是美国专利US 5,506,607中提出作为“模型化合物(MC)”的一种材料，支撑材料是在该专利中提出的一种“支撑材料(SM)”。优选的模型材料是可由Solidscape Inc.，Marimack，New Hampshire(NH)，USA得到的InduraCast InduraFill。支撑材料的熔点优选低于110℃，特别优选低于100℃，尤其优选低于80℃。在本发明的一个优选实施方案中，模型材料的熔点为49～70℃。本发明的该实施方案的一个能实现的优势是：支撑材料可在(部件)模具完成之后通过熔化从模型材料移除。
在本发明的一个实施方案中，空心模具包括各种材料。因此，根据本发明可使用上述材料和/或金属和/或玻璃和/或聚四氟乙烯和/或陶瓷的材料组合。
在一个另外的优选实施方案中，在以层状构造空心模具期间，利用3D打印机将用于培养生物有机体的营养液引入空心模具。特别地，引入用于培养形成纤维素的生物的营养培养基。特别是如果空心模具的某些区域难以接近时，这可以是尤其有利的。
优选的结构具有至少一个底切，使得其在没有使至少一部分模具发生变形的情况下不能从空心模具移除。优选地，该结构在其内部具有至少一个空腔，该空腔通过模具的模芯构成为间隔物。该模芯优选利用3D打印机制造。空腔可构成为使得从外部仅仅通过穿过窄点的通道可接近该空腔。通道的截面小于空腔的截面。
在一个优选实施方案中，作为利用空心模具的根据本发明的结构，空心模具的内部空间基本上具有伸长的空心体形状，例如为了模拟脉管，介质优选液体介质特别优选血或者其它的体液的导管可穿过该脉管的内腔。用作内腔间隔物的模芯优选具有基本上为圆的截面。优选地，模芯包括凹口以形成凹槽，特别优选类似于自然的静脉瓣膜，利用在伸长的空心体之上的空心模具，使得通过伸长的空心体的介质流动沿关闭方向比沿与关闭方向相反的方向减速更多。
利用根据本发明的模具制造的优选结构具有适于定殖活细胞的空腔。这些空腔优选由利用3D打印机制造的模芯所形成。在一个优选的制造工艺中，模芯具有在至少一个点处分支的至少一个束(strand)。特别优选地，至少一些分支在另外的点处再次合并，以产生分支和再次合并的管系统，例如类似于血管系统。利用根据本发明的空心模具形成的空心体优选具有至少两个开口，发生变形的模芯或者其残余物(优选熔融的)可通过该开口以离开空心体的内部。
在本发明的一个优选实施方案中，成像方法用于设计空心模具，优选用于设计利用3D打印机制造的部件、优选模芯。特别优选层析成像方法特别是x-射线层析成像和/或正电子发射层析成像和/或核自旋层析成像。利用该方法可产生适于患者的空心模具，例如用于待替换的身体部件，特别是血管系统或者静脉瓣膜系统。特别地，可以设想利用成像方法来记录患者的器官或者器官的一部分例如血管的一部分和利用本发明的方法来模拟它们。将利用成像方法确定的数据转化为可通过3D打印机读取的数据，特别是CAD数据，并且任选进行修正。可通过3D打印机读取的这些数据然后用于构造各层和患者数据的模拟。
支撑结构优选主要包括水和结晶纤维素，特别优选例如通过木质醋杆菌形成的微晶纤维素。该材料包含小于10％的结晶纤维素，并且水部分地和不同程度地结合微晶纤维素。结晶纤维素在实验中被证明是特别组织友好的。形成纤维素的生物优选为细菌，特别优选木质醋杆菌菌株。可以想象，也可使用其它的形成纤维素的微生物，例如适合的土壤杆菌属菌株、根瘤菌菌株、八迭球菌菌株、假单胞菌菌株、无色杆菌菌株、气杆菌属菌株和菌胶团菌株。由于木质醋杆菌的纤维素合成酶复合物的基因是已知的，所以还可以通过使用分子生物学的已知方法来引入其它的微生物，例如大肠杆菌(escherichia coli)，结果这些生物也可以合成纤维素。
已经记载了各种营养培养基用于培养木质醋杆菌。经常使用的一种适合培养基是在Biochemical Journal 58，1954，345-352页描述的Schramm和Hestrin培养基。在这点上，通过引用将上述文章的全部内容并入本公开中。该培养基的缺点可在于由于其包含酵母提取物和蛋白胨所以不是精确定义的。
为实施本发明，优选完全合成的培养基，如例如Forng等人在Appliedand Environmental Microbiology，1989年第55卷，5号，1317-1319页中所述的。在这点上，通过引用将上述文章的全部内容并入本文。该培养基的缺点可在于细菌的生长稍微较慢。
也可想象，利用所谓的红茶菌来实施本发明。除了木质醋杆菌之外，该培养还包括很多共生的其它生物，例如酵母和细菌，并且可通过包含仅仅红茶和蔗糖(100g/l)的培养基来保持。
附图说明
以下借助于以示意图形式的附图和示例性实施例，对本发明进行更详细的说明。
附图中：
图1：根据本发明使用的3D打印机的示意图。
图2：用于实施根据本发明的制造所述结构的工艺的具有模壳和模芯的空心模具的立体图。
图3：具有伸长的空心体的图2空心模具截面示意图，其中伸长的空心体还没有完全生长并且图中示出了生长方向。
图4：用于根据本发明伸长的纤维素空心本体的模芯的立体图，在其内壁上具有凹槽。
图5：根据本发明结构的一个实施方案的示意图，作为模拟静脉瓣膜功能的空心体。
图6：根据本发明结构的一个实施方案的立体图，作为用于培养活细胞的支撑结构。
图7：通过实施根据本发明的制造方法进行构建的截面示意图。
借助于示例性实施例的描述
图1显示用于牙科中的现有技术的3D打印机1。打印机1与US5,506,607中公开的3D打印机的结构和运行模式基本上相对应。利用该3D打印机，通过模型材料的滴来制造层状的空心模具的部件2a、2b，并且在基材4或者之前的层上将支撑材料布置成行。对于材料的施加，在施加之前将其加热并在施加之后使其固化。在一个平面中已经施加全部材料之后，在下一个更高的平面中再次施加材料。当该步骤也结束时，在所得的平面上进行同样的程序。及时地以该方式形成三维结构。使用InduraCast(Solidscape Inc.，Marimack，NH，USA)作为模型材料，使用InduraFill(Solidscape Inc.，Marimack，NH，USA)作为支撑材料。将所有的层都施加之后，根据制造商的说明通过熔化将空心模具移除并且将支撑材料移除，使得仅空心模具的模型材料仍然保留。
图2和3显示利用本发明的方法形成的空心模具5。形成模壳的半壳6和7由玻璃制成，间隔物8和9由聚四氟乙烯(Teflon)制成，柱形模芯2a利用3D打印机1制造。图3显示如何通过形成纤维素的细菌来利用纤维素10填充空心模具5。通过下部开口11进入内部空间，结晶纤维素10从一个纵向侧面12至另一个纵向侧面13垂直于内部空间的纵轴生长(通过箭头14和15显示)。同时，空气与空心模具5环境的交换可经由第二开口16进行，特别是为细菌供给氧。通过开口11，纤维素可从外侧将必要的营养从生长培养基输送至空心模具5内部的生物。当纤维素10到达上部开口16时，可进行模具脱除操作。为此，将半壳6和7移除并且使模芯2a熔化。此后，基本上已经生长的纤维素模具保留作为空心体。在此应说明：在这种情况下，仅仅两个间隔物8和9内部的区域能够使用，即整个空心体必须得到支撑。可使用形成的空心体例如作为血管的替代物。
图4显示另外的模芯2b，其与图2和3中示出模壳一起类似使用。模芯2b主要包括：利用3D打印机1制造的圆柱体17，圆柱体17具有狭缝对18，其在模芯2b的中间部分中如同箭头状延伸到一起。为使模芯2b稳定，在模芯2b中，在中心面中包封弹簧钢板19。狭缝18、19在圆柱体17的整个宽度上延伸直至弹簧钢板19。在模芯2b的制造期间，通过3D打印机将圆柱体半壳以层状施加至钢板11。
如上所述，具有模壳的模芯2a在模壳和模芯2a之间的中间空间中填充纤维素10，并然后将模具移除。形成的空心体20示于图5中。该空心体20可模拟静脉瓣膜的功能。当介质沿着通道21的方向流过空心体20时，由狭缝18、19产生的瓣膜模拟体22、23在已经由板19产生的间隙24处打开，并且允许介质流动。如果介质沿关闭方向流动，则瓣膜模拟体22、23彼此倚靠挤压，因此介质的流动被基本抑制。
图6显示支撑结构3的一个实例，利用采用3D打印机制造的模芯以分支和再次合并的束的网状形式来制造支撑结构3。纤维素完全填充具有蜡线网格作为模芯的空心模具之后，将支撑结构3移除并且加热到110℃，以使模芯熔化。以这种方式可将模型材料从支撑结构3基本完全移除。类似于血管系统的分支并且再次合并的管的空心腔25得到保留。空心腔25通过在两个点处的开口连接至支撑结构之外。空心腔25分支的点和分支再次合并的点设置于两个点26、27之间，空心腔25在所述两个点26、27处通过开口连接至支撑结构3之外。
图7显示用于实施根据本发明的制造支撑结构2a、2b的方法的装置的一个示例性实施例的示意图。无菌管28填充有无菌营养液29，其包含20g葡萄糖、5g酵母提取物、5g细菌蛋白胨、2.7g磷酸钠和1.15g柠檬酸一水合物，pH 6.0，利用来自木质醋杆菌的3日龄的预培养(例如Gluconacetobacter xylinum，DSM no.2325，DSZM Braunschweig)来接种该营养液。约7天之后，当约3mm厚的纤维素层30在液体的表面上形成时，该层由聚四氟乙烯(ePTFE膨化的聚四氟乙烯，例如GLIDE牙线，W.L.Gore and Associates Inc.)网31支撑，网31被夹在玻璃框33中，玻璃框33由玻璃支撑物32所支撑。将空心模具5置于由网31支撑的纤维素表面上并在培育箱中在28℃下进行培养。
空心模具5的细菌定殖和利用纤维素对其进行填充通常需要2～3个星期。在此期间，如果合适的话，应该确保已经用完或者蒸发的介质29被补充。当利用纤维素10完全填充空心模具5时，将结构2a、2b、3移除，然后进行加热至约110℃，使得模芯2a、2b熔化并在结构2a、2b中留下空腔25。加热同时用以对所述结构灭菌。
以上说明书、权利要求和附图中公开的特征以单独地以及以任何期望的组合来用于在各种实施方案中实现本发明均是重要的。

Claims (18)

1.一种用于制造包含结晶纤维素(10)的结构的方法，其中在空心模具(5)中至少部分地培养形成纤维素(10)的生物，其特征在于：利用3D打印机(1)来进行所述空心模具(5)的制造，所述3D打印机(1)利用模型材料层状地构建所述空心模具(5)的至少一部分(2a，2b)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述空心模具(5)至少不可逆地部分地变形。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述空心模具(5)包括至少一个模芯(2a，2b)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述空心模具(5)包括至少一个模壳。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述空心模具(5)包括至少一个模壳以及模芯(2a，2b)。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述模型材料是至少部分疏水的。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述模型材料包括热塑性的蜡材料或者聚合物材料。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于在层状地构建所述空心模具(5)的部件(2a，2b)期间，所述3D打印机(1)利用支撑材料进一步层状地构建至少一个支撑物。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于利用所述3D打印机(1)将营养液引入所述空心模具(5)中，用于所述形成纤维素(10)的生物的培养。
10.一种结构，其特征在于所述结构通过根据权利要求1～9之一所述的方法来制造。
11.利用模型材料层状地构建空心模具(5)的至少一部分的3D打印机(1)的用途，用于制造包含结晶纤维素(10)的结构，其中在所述空心模具(5)中至少部分地培养形成纤维素(10)的生物。
12.一种制造用于形成纤维素(10)的生物的培养的空心模具(5)的方法，其特征在于所述空心模具(5)利用3D打印机(1)来制造，所述3D打印机(1)利用模型材料层状地构建所述空心模具(5)的至少一部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述3D打印机(1)利用所述模型材料层状地构建所述空心模具(5)的模芯(2a，2b)。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述模芯(2a，2b)包括束，所述束分支并在另外的点处再次合并。
15.根据权利要求12～14所述的方法，其特征在于利用成像方法至少部分地确定所述空心模具(5)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于层析成像方法特别是x-射线层析成像和/或正电子发射层析成像和/或核自旋层析成像用作所述成像方法。
17.一种空心模具(5)，其特征在于所述空心模具(5)通过根据权利要求12～16之一所述的方法制造。
18.利用模型材料层状地构建空心模具(5)的至少一部分的3D打印机(1)的用途，用于制造所述空心模具(5)，所述空心模具(5)用于形成纤维素(10)的生物的培养。
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