CN105579219A - 用于三维结构的增材制造的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于包括三维细胞结构的三维结构的增材制造的系统和方法。该系统包括：至少一个打印头，打印头用于接收和分配材料，材料包括鞘流体和水凝胶，打印头包括用于分配材料的孔，微流体通道，其用于接收和导向材料，射流开关，其对应于打印头中的微流体通道之一并且被构造成允许或不允许微流体通道中的流体流动；接收表面，其用于接收从孔分配的材料的第一层；定位单元，其用于将打印头的孔定位于三维空间中；以及分配装置，其用于从打印头的孔分配材料。

Description

用于三维结构的增材制造的系统和方法

先前申请的交叉引用

根据巴黎公约，本申请要求在2013年6月13日提交的美国申请号61/834,420的优先权，该申请以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本发明大体而言涉及从数字文件三维(3D)打印和生成三维生物结构。具体而言，本发明涉及用于制造三维载细胞水凝胶结构的系统、设备和方法。

背景技术

三维打印，一种增材制造(AM)形式，是从数字文件直接创建三维物体的过程。软件用来将计算机辅助设计(CAD)模型或物体的三维扫描分成许多薄截面层。这些层集合被发送到AM系统，其中，该系统逐层建置三维物体。每一层沉积到先前层顶部直到完全构建了物体。能使用支撑材料来支撑物体的悬挂和复杂特征。存在各种AM过程，其能用塑料、金属、陶瓷和/或生物材料来建置零件。

增材制造可以应用于生物系统中。例如，直到近来，在二维(2D)表面诸如微井孔板和皮氏培养皿上执行大部分细胞培养研究。然而，二维培养系统并未模仿细胞在体内存在的三维环境。研究者发现三维细胞培养的行为比二维细胞培养至少部分地更像天然生物组织，因为在天然组织中的细胞的三维布置影响细胞-细胞相互作用，而这会影响细胞生长和生理。

用来制成细胞构造的增材制造装置和系统是已知的。例如，已知熔融纤维沉积技术应用于生物材料。在熔融纤维沉积中，高粘度液体从相对较窄的孔分配并且然后通过各种手段快速凝固。生物相容性塑料、热胶凝水溶胶、可紫外线交联的聚合物和高浓度海藻酸盐已经用作三维细胞结构的支架，其中在其凝固后，将细胞添加到支架。这些技术的缺陷在于它们需要在打印之后将细胞添加到支架，使得难以控制细胞放置。另外，支架基底的组成可能并不适合便于细胞增殖和生长。

已知并且期望用于包括直接打印细胞材料的打印三维结构的系统，至少部分地是因为它们可以允许细胞沉积在三维支架内。例如，曾经使用喷墨打印技术来打印生物材料。然而，将流体液滴推进到基底上所涉及的剪切力可能会损坏在流体中分散的细胞。另外，喷墨打印是一个缓慢的过程，这使得难以适应需要具体的环境条件才能生存的生物材料。

用于在三维结构内直接打印细胞的其它系统包括美国专利No:8,639,484，其涉及使用CAD模型和三维定位单元来通过多个喷嘴逐层沉积细胞材料以创建三维物体。多个喷嘴允许许多不同的材料包括于三维物体中。美国专利申请公开No:2012/0089238公开了一种多盒打印系统以产生复合有机三维结构，其中使用至少两个注射器来建置该结构，一个注射器包括结构支撑聚合物并且另一个包括活体细胞组合物，在表面上迭代地沉积结构支撑聚合物和活体细胞组合物。美国专利申请公开No:2014/0012407公开了一种包括一个或多个打印头的装置，每个打印头被构造成接收和保持一个或多个盒。每个盒包括流体，诸如包括细胞或支撑材料的生物墨水，以及孔，流体能通过孔从盒分配。

现有技术方法通常需要多个喷嘴和/或盒孔以便于打印多种不同材料(例如，一种材料由一个喷嘴或盒孔分配)。使用多个喷嘴来分配不同材料需要相对应地增加打印系统的移动来将适当喷嘴或盒孔以受控制的顺序定位从而分配不同的材料顺序。这种增加的移动降低了打印速度和效率。

期望避免或缓解上述缺陷中的一种或多种缺陷。

发明内容

在第一方面，提供一种用于三维结构的增材制造的系统。该系统包括：至少一个打印头，其用于接收和分配材料，该材料包括鞘流体和水凝胶。在一个实施例中，打印头包括：用于分配材料的孔；微流体通道，其包括用于接收和导向鞘流体的一个或多个第一通道和用于接收和导向水凝胶的一个或多个相应第二通道，第二通道与第一通道在第一交点相交，第二通道和第一通道在第一交点结合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到孔；以及，射流开关，每个射流开关对应于打印头中的微流体通道之一并且被构造成当致动时允许或不允许打印头的微流体通道中的流体流动。在一个实施例中，该系统还包括：接收表面，其用于接收从孔分配的材料的第一层；定位单元，其用于将打印头的孔定位于三维空间中，定位单元可操作地联接到打印头；以及分配装置，其用于从打印头的孔分配材料。

在第一方面的一个实施例中，该系统包括可编程的控制处理器，其用于控制定位单元和控制材料从打印头到接收表面上的分配。

在第一方面的一个实施例中，一个或多个第一通道包括至少两个通道，一个或多个第一通道被构造成在第一交点处在相应第二通道的侧部。

在第一方面的一个实施例中，鞘流体包括交联剂，其用于使水凝胶在交点和/或分配通道中与交联剂接触时凝固。

在第一方面的一个实施例中，每个第二通道具有比第一通道和分配通道的直径更小的直径，其中来自第一通道的流动形成围绕分配通道中的水凝胶的同轴鞘。

在第一方面的一个实施例中，水凝胶包括活体细胞。

在第一方面的一个实施例中，该系统还包括：流体移除特征，其用于移除从打印头分配的过量鞘流体。

在第一方面的一个实施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小适于允许过量鞘流体从孔隙通过。

在第一方面的一个实施例中，流体移除特征包括吸收剂材料或真空，吸收剂材料或真空用于将过量鞘流体从接收表面抽走。

在第一方面的一个实施例中，吸收剂材料或真空施加在多孔性膜下方。在第一方面的一个实施例中，真空施加于接收表面上方。

在第一方面的一个实施例中，通过设置于打印头上的一个或多个真空通道来施加真空，一个或多个真空通道具有位于打印头的孔附近的孔。

在第一方面的一个实施例中，该系统还包括：用于容纳材料的储集器，储集器分别流体地联接到打印头中的微流体通道。

在第一方面的一个实施例中，打印头还包括用于接收来自储集器的材料的至少两个入口，入口中每一个与相应微流体通道和相应储集器成流体连通。

在第一方面的一个实施例中，分配装置包括压力控制单元。

在第一方面的一个实施例中，射流开关包括阀。

在第一方面的一个实施例中，打印头还包括中空突出部，中空突出部被构造成从孔朝向接收表面延伸。

在第一方面的一个实施例中，打印头包括两个第二通道，第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，两个第二通道在第二交点相交并且在第二交点结合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交点。

在第二方面，提供一种用于三维结构的增材制造的系统，该系统包括：至少一个打印头，其用于接收和分配材料，材料包括鞘流体和水凝胶。在一个实施例中，打印头包括：用于分配材料的孔；微流体通道，其用于接收材料并且将材料导向至孔；以及，射流开关，每个射流开关对应于打印头中的微流体通道之一并且被构造成当致动时允许或不允许打印头中的微流体通道中的流体流动。在一个实施例中，该系统还包括：接收表面，其用于接收从孔分配的材料；流体移除特征，其用于移除从孔分配的过量鞘流体；定位单元，其用于将打印头的孔定位于三维空间中，定位单元可操作地联接到打印头；以及分配装置，其用于从打印头的孔分配材料。

在第二方面的一个实施例中，流体移除特征包括真空，真空用于将过量鞘流体从接收表面或者穿过接收表面抽走和/或从接收表面上分配的水凝胶抽走。

在第二方面的一个实施例中，接收表面包括多孔性膜，多孔性膜包括孔隙，孔隙大小适于允许过量鞘流体从孔隙通过。

在第二方面的一个实施例中，真空在多孔性膜的下方施加。在第二方面的一个实施例中，真空施加于接收表面上方。

在第二方面的一个实施例中，通过设置于打印头上的一个或多个真空通道来施加真空，一个或多个真空通道具有位于打印头的孔附近的孔。

在第二方面的一个实施例中，流体移除特征包括吸收剂材料，吸收剂材料从接收表面抽走过量鞘流体。

在第二方面的一个实施例中，该系统还包括：可编程的控制处理器，其用于控制定位单元和控制材料从打印头到接收表面上的分配。

在第二方面的一个实施例中，打印头还包括中空突出部，中空突出部被构造成从孔朝向接收表面延伸。

在第二方面的一个实施例中，打印头包括：一个或多个第一通道，其用于接收和导向鞘流体，以及用于接收和导向水凝胶的一个或多个相应第二通道，第二通道在第一交点与第一通道相交，第二通道和第一通道在第一交点结合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到该孔。

在第二方面的一个实施例中，打印头包括两个第二通道，第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，两个第二通道在第二交点相交并且在第二交点结合在一起以形成第三通道，第三通道延伸到第一交点。

在第三方面，提供一种打印三维(3D)结构的方法，该方法包括：提供三维打印机，打印机包括：打印头，打印头包括用于分配材料的孔；接收表面，其用于接收从打印头的孔分配的材料的第一层；以及，定位单元，其可操作地联接到打印头，定位单元用于将打印头定位于三维空间中。在一个实施例中，该方法包括：提供待分配的材料，待分配的材料包括鞘流体和一种或多种水凝胶；向打印机编码待打印的三维结构；从打印头孔分配待分配的材料；将分配的材料的第一层沉积到接收表面上；重复沉积步骤，将随后分配的材料沉积到第一层和任何随后沉积的材料层上，从而以根据该三维结构的几何布置来逐层沉积分配的材料层；以及在沉积步骤期间或者在沉积步骤之间，在一个或多个时间点，移除由打印头孔分配的过量鞘流体。

在第三方面的一个实施例中，鞘流体包括适合于在与水凝胶接触时使水凝胶交联和凝固的交联剂，接触形成水凝胶纤维。

在第三方面的一个实施例中，鞘流体和水凝胶以同轴布置分配，其中鞘流体包封水凝胶。

在第三方面的一个实施例中，沉积步骤和移除步骤持续地执行，从而在沉积分配材料层时持续地移除过量鞘流体。

在第三方面的一个实施例中，移除步骤在沉积步骤之间和/或与沉积步骤同时间歇地执行，从而在沉积分配材料层时间歇地移除过量鞘流体。

在第三方面的一个实施例中，一种或多种水凝胶适于支持分散于其中的活体细胞的生长和/或增殖。

附图说明

参考附图，在下文的详细描述中，本发明的特点将变得更加显然，在附图中：

图1是本发明的打印系统的一个实施例的透视图。

图2是软件设计的物体和使用本发明的打印系统的一个实施例打印的相对应物体的透视图。

图3是本发明的打印头的一个实施例的透视图。

图4是图3的打印头中的阀的截面图，包括当致动阀时阀膜的偏转。

图5是图3的打印头的替代实施例的截面图。

图6是图3的打印头的替代实施例的俯视图。

图7是本发明的打印床组件的一个实施例的分解透视图。

图8是图9的组装的打印床的截面图。

图9是图9的打印床的替代实施例的截面图。

图10是本发明的打印头的一个实施例的透视图。

具体实施方式

在下文中提供在本说明书中使用的某些术语的定义。除非另外定义，在本文中使用的所有科技术语通常具有本发明所属的技术领域中的普通技术人员通常理解的意义。

如本文所用的术语“约”将由本领域普通技术人员理解并且将根据其所使用的上下文在某种程度上变化。如果使用本领域普通技术人员不清楚的术语，在其使用的给定上下文中，“约”将表示该数字至多加上或减去10％。

如本文所用的术语“水凝胶”指包括水和亲水聚合物链的网络或晶格的组合物。天然水凝胶的示例包括(例如)海藻酸盐、琼脂糖、胶原质、纤维蛋白原、明胶、壳聚糖、透明质酸基凝胶或其任何组合。多种合成水凝胶是已知的并且可以用于本文所提供的系统和方法的实施例中。例如，在本文所提供的系统和方法的实施例中，一个或多个水凝胶形成打印的三维结构的结构基础。在某些实施例中，水凝胶具有支持一种或多种细胞类型的生长和/或增殖的能力，一种或多种细胞类型可分散于水凝胶内或者在水凝胶已被打印成三维构造后添加到水凝胶。在某些实施例中，水凝胶通过化学交联剂而交联。例如，包含海藻酸盐的水凝胶可以在二价阳离子的存在下交联，包括纤维蛋白原的水凝胶可以在凝血酶的存在下交联，并且包括胶原质或壳聚糖的水凝胶可以在热或碱溶液的存在下交联。水凝胶的交联将增加水凝胶的硬度，在某些实施例中，允许形成表现为固体的水凝胶。

如本文所用的术语“鞘流体”指至少部分地用来包封或“包住”待分配的材料例如水凝胶的液体。在某些实施例中，鞘流体包括下列中的一种或多种：水溶剂例如水或甘油，以及化学交联剂，例如包括二价阳离子的材料(例如，Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺等)、凝血酶或pH调节化学品诸如碳酸氢钠。

如本文所用的术语“过量鞘流体”指从打印头孔分配并且不形成使用本文所提供的系统或方法的一个或多个实施例打印的三维结构的部分的鞘流体的一部分。例如，过量鞘流体可以用于水凝胶的通过打印头中的分配通道以及通过打印头孔的润滑通路中。一旦从打印头孔分配，过量鞘流体可以从分配的水凝胶层表面流淌到接收表面，在接收表面，其可以聚集或汇集。

如本文所用的术语“接收表面”指从打印头孔分配的第一层材料所沉积的表面。接收表面也接收过量鞘流体，过量鞘流体从打印头孔分配并且从打印头孔分配的一层或多层材料流淌出。在某些实施例中，接收表面由固体材料制成。在某些实施例中，接收表面有多孔性材料制成。举例而言，在某些实施例中，多孔性材料的孔隙率足以允许鞘流体从孔隙通过。在某些实施例中，接收表面基本上是平坦的，从而提供平坦表面，第一层分配材料能沉积到平坦表面上。在某些实施例中，接收表面具有对应于待打印的三维结构的形貌，从而便于打印具有不平坦的第一层的三维结构。

在一方面，本发明大体而言涉及一种用于增材制造三维(3D)生物结构的设备、系统和方法。

打印系统的总体描述

在一方面，本发明提供一种用于对三维结构进行增材制造的系统(在本文中也被称作“打印机”、“三维打印机”或“打印系统”或“系统”)。该系统包括微流体打印头，其是微流体液体处置装置，包括：一个或多个微流体通道，用于接收和导向待分配的材料；射流开关，其对应于微流体通道用于调节待打印的材料流动；以及，单个孔，其用于分配待分配的材料。

待分配的材料包括鞘流体和至少一种水凝胶。在优选实施例中，鞘流体包括化学交联剂，在化学交联剂与水凝胶接触时，化学交联剂适合于使水凝胶凝固。在优选实施例中，鞘流体也用作凝固的水凝胶的润滑剂。

微流体通道用作以受控制的方式导向和结合待分配的材料的管道。微流体通道布置于打印头内使得用于接收和导向鞘流体的一个或多个第一通道和用于接收和导向水凝胶的第二通道在第一交点相交并且结合在一起以形成分配通道，分配通道延伸到打印头的孔。在一个优选实施例中，第一通道被构造成在第一交点在第二通道侧部。以此方式，鞘流体被导向为在分配通道中沿着水凝胶的任一侧流动。

在优选实施例中，在分配通道中的材料同轴地导向，水凝胶被集中到分配通道的中心并且鞘流体包围水凝胶流体，从而形成绕水凝胶的鞘。在鞘流体也包括适合于使水凝胶交联的化学交联剂的优选实施例中，凝固的水凝胶纤维形成于分配通道中并且从打印头的孔分配。

在一个方面，该系统还包括接收表面和定位单元，接收表面用于接收从孔分配的第一层材料，定位单元用于将打印头的孔定位于三维空间中，定位单元可操作地联接到打印头。例如，打印头可以联接到市售的具有三个运动自由度的机动的定位系统，使得打印头能定位于接收表面上方并且定向成向下朝向接收表面导向分配的材料。

在一个方面，该系统包括用于从打印头孔分配材料的器件并且还可以包括可编程的控制处理器和/或与可编程的控制处理器成数据通信以调节打印头孔的定位。可编程的控制处理器也可以用于调节将从打印头孔分配的材料的分配。

图1示出了本文所提供的三维打印系统的一个实施例的示意透视图。

参考图1，该系统包括微流体打印头[100]，微流体打印头[100]包括打印头孔[114]和用于接收将从打印头[100]分配的材料的至少一个入口。待分配的材料储存在打印材料储集器[110]中并且通过相应第一连接管[122]递送到打印头，第一连接管[122]提供在打印头与打印材料储集器之间的流体连通。在图示实施例中，用来分配将从打印头孔分配的材料的器件是压力控制单元[112]，压力控制单元[112]通过相应第二连接管[120]流体地联接到打印材料储集器[110]。压力控制单元是用来提供力以分配待分配材料的器件。压力控制单元经由相应第二连接管[120]向打印材料储集器[110]供应气动压力。施加到打印材料储集器上的压力迫使流体从储集器出来并且经由相应第一连接管[122]进入到打印头内。用于分配待分配材料的替代器件可以用于图示实施例中。例如，一系列电子控制的注射器泵可以用于提供力来分配待从打印头孔分配的材料。

参考图1，微流体打印头[100]联接到包括三个臂[102、103和104]的三维机动台，以将打印头[100]和打印头孔[114]定位于打印床[108]上方的三维空间中，打印床[108]包括用于接收打印材料的表面[109]。在一个实施例中，三维机动台(即，定位单元)能受到控制以定位竖直臂[104]，竖直臂[104]沿着三维机动台的z轴线延伸使得打印头孔[114]朝向下。沿着机动台的x轴线延伸的第一水平臂[102]固定到不动的基座平台[116]。沿着机动台的y轴线延伸的第二水平臂[103]可移动地联接到第一水平臂[102]的上表面使得第一水平臂和第二水平臂[102和103]的纵向方向彼此垂直。应了解如在上文中关于臂所使用的术语“竖直”和“水平”意味描述打印头移动的方式并且未必限制臂本身的物理取向。

在图1所示的实施例中，打印床[108]定位于平台[118]的顶部上，平台联接到第二水平臂[103]的上表面。在该实施例中，三维机动台臂[102、103和104]分别有三个相对应的马达[105、106和107]驱动，并且受到可编程控制处理器诸如计算机(未图示)的控制。在优选实施例中，打印头[100]和打印床[108]由三维机动台沿着笛卡尔坐标系的所有三个主要轴线共同地可移动并且该台的移动使用计算机软件来限定。

应了解本发明并不仅限于所描述的定位系统并且其它定位系统是本领域中已知的。

在图1中所示的实施例中，在材料从打印头孔[114]分配时，定位单元以受软件控制的图案移动，从而在接收表面[109]上创建第一层的分配材料。额外层的分配材料一个堆叠在另一个顶部上使得分配的材料层的最终三维几何结构大体上是软件所提供的三维几何设计的复制品。如本领域中已知的，可以使用典型的三维CAD(计算机辅助设计)软件创建或者从数字图像来生成三维设计。另外，如果软件生成的几何构造包含关于待使用的具体材料的信息，那么根据本发明的一个实施例，能向不同的几何位置分派具体材料类型。例如，图2示出了使用本文所提供的系统的一个实施例打印的三个三维结构：立方体[128]、中空圆柱[129]和中空同轴圆柱[130]。使用软件来生成立方体、中空圆柱和中空同轴圆柱设计(分别为[125]、[126]和[127])，每一种设计包括两种不同类型的材料(染色海藻酸盐)，其被染成不同颜色以提供用来生成打印的立方体和中空圆柱的材料的视觉清晰度。

本文所涉及的任何软件、应用程序或模块可以使用计算机可读/可执行的指令来实施，计算机可读/可执行的指令可以存储或以其它方式由这种计算机可读介质来保持。

打印头

图3示出了用于所提供的系统中的微流体打印头[100]的一个实施例的示意透视图。

参考图3，图示实施例描绘了微流体打印头[100]，其包括用来运送各种流体的微流体通道。在图示实施例中，微流体通道具有圆柱形状。然而，不是圆柱的其它通道形状也可以用于本文所提供的打印头中。通道[200]是用于交联剂的管道，通道[202]是用于水的管道。在图示实施例中，交联剂和水，单独地或一起用作“鞘流体”。通道[204]是用于第一水凝胶组合物(也被称作“水凝胶A”)的管道，通道[206]是用于第二水凝胶组合物(被称作“水凝胶B”)的管道。在优选实施例中，一种或多种活体细胞类型可以与水凝胶A和/或B相容并且可选地分散于水凝胶A和/或B内。在图示实施例中，每个微流体通道包括流体入口[208a、208b、208c、208d]，流体入口允许包含在连接管[122]中的流体传递到打印头[100]的相应通道内。在流体入口[208a、208b、208c、208d]的下游是对应于每个通道的阀[210、212、214、216]。在图示实施例中，阀用作“射流开关”，其能被致动以允许和不允许流体流动通过通道，每个阀具有相对应的入口[218、218a、218b、218c、218d]，入口便于致动阀和解除对阀的致动。在一个实施例中，阀[210、212、214、216]可以被电子致动。在另一个实施例中，可以通过施加的压力变化，例如利用螺线管活塞来致动阀[210、212、214、216]。不同阀的电子或压力致动便于快速地改变所分配的材料，从而允许所分配的材料包括不同材料的受控制的顺序。

参考图3，在图示实施例中，交联剂通道[200]和水通道[202]在交点[203]相交，诸如以“y形”构造，结合在一起以形成在交联剂通道和水通道[200、202]紧邻下游的通道，在本文中被称作“鞘流动通道”[224]。水凝胶A通道和水凝胶B通道[204、206]在交点[207]相交，诸如以“y形构造”，结合在一起以形成紧邻在两个水凝胶通道的下游的通道，在本文中被称作“集中通道”[226]。对于所描述的实施例而言，鞘流动通道[224]和集中通道[226]在交点[228]以三分叉构造相交，其中集中通道[226]的侧部为鞘流动通道[224]，鞘流动通道结合在一起以形成在本文中被称作分配通道[220]的通道。分配通道[220]止于分配孔[222]。在图1中示出的优选实施例中，分配通道从打印头[100]突出，止于分配孔[114]。

进一步参考图3，在图示实施例中，鞘流动通道[224]和分配通道[220]具有比集中通道[226]更大的直径。当液压压力施加到鞘流动通道[224]和集中通道[226]时，在集中通道[226]中的液体在侧向被压缩并且“集中”成沿着集中通道[226]的中心轴线的窄流。在交点[228]与集中通道[226]相交时，来自较大直径鞘流动通道[224]的流体包围并且包封从集中通道[226]分配的水凝胶的较窄集中流。

在优选实施例中，在鞘流动通道[224]中的液体包括化学交联剂，在集中通道[226]中的液体包括一种或多种化学可交联的水凝胶，化学可交联的水凝胶包括一种或多种活体细胞类型。当一种或多种化学可交联的水凝胶在集中通道[226]中集中成窄流并且然后由分配通道[220]中的交联剂包封时，一种或多种化学可交联的水凝胶的至少外表面在分配通道[220]中凝固，从而形成交联的或“固体”水凝胶纤维。水凝胶纤维然后以受控制的方式从分配孔[222]分配到接收表面上，逐层建置三维结构。

在特别优选实施例中，包围水凝胶纤维的鞘流体也可以用来润滑水凝胶纤维穿过分配通道[220]的通路，直到其从打印头孔[222]分配。

在一个实施例中，鞘流体包括化学交联剂、水或其组合。在鞘流体缺少化学交联剂的实施例中，水凝胶将不凝固并且将作为液体分配。为了调整鞘流体的组成并且开始和/或停止水凝胶的凝固，可以致动交联剂通道阀[210]和水通道阀[212]。设想到可能期望分配液体而不是固体水凝胶或者独自分配鞘流体来构建各种三维物体的某些方面。

在一个实施例中，打印头[100]可以被构造成接收并且分配仅一种水凝胶材料。在一个实施例中，打印头可以被构造成接收和分配两种或更多种水凝胶材料。例如，在打印头[100]被构造成接收两种水凝胶材料(每种例如包括不同细胞类型)的实施例中，本文所提供的系统可以被编程为分配异质细胞结构，其中第一细胞类型和第二细胞类型可以以受控制的图案在层内和层间单独地和/或彼此结合地铺设。例如，通过软件来控制两种材料之间的边界，并且使用可编程的控制处理器来指导射流切换(例如，阀[210]、[212]、[214]、[216]中的一个或多个)以改变材料在一个或多个微流体通道内的流动，从而改变从打印头孔分配的材料的内含物。能由本发明提供的打印头接收和分配的水凝胶材料的数量仅受到使用者认为实用的打印头的大小限制。

参考图4，在一个实施例中，射流开关是阀，该阀包括安置在微流体通道[308]中形成的碗形特征部[318]上的膜[332]。在向阀膜[332]的暴露表面施加气动压力(由图4中的箭头表示)时，阀膜[332]将偏转到碗形特征部[318]内，从而阻挡流体通过微流体通道[308]。在一个优选实施例中，阀膜[332]的厚度为大约150μm。在阀膜厚度增加的实施例中，本领域技术人员将了解到施加的气动阀致动压力必须相应地增加。同样，由弹性更弱的材料形成的阀膜将需要更高的致动压力。本领域技术人员将了解如何来调整致动压力以适合阀膜的具体材料。

在一个实施例中，打印头包括用于调节待从打印头孔分配的材料的射流开关。例如，不使用阀，可以使用将施加的压力接合或脱离接合到每个通道的机构来调节在微流体通道内的材料流动。

在一个实施例中，打印头还包括延伸顶端，延伸顶端包括用于从打印头分配材料的孔。这种延伸顶端便于精确地分配材料并且将材料沉积在受约束的区域内，受约束的区域诸如皮氏培养皿或者多井孔板(例如具有6、24、96个井孔等的微型板、微井孔板或标准微量滴定板)中的井孔。参考在图5中示出的实施例，最靠近分配孔[222]的分配通道[220]的一部分[500]具有比分配通道[220]的上游部分更大的直径。延伸顶端[502]包括管(例如，由塑料、玻璃或金属制成)，其具有被构造成装配到分配通道的大直径部分[500]内的外表面和被构造成与分配通道[220]对准的内表面(限定在管中的中空空间)。延伸顶端[502]可以插入于分配通道的大直径部分[502]内，从而延长分配通道[220]的长度，这便于从延伸顶端[502]中的孔[503]分配的材料沉积到受约束的空间内，受约束的空间诸如井孔板插件[504]或皮氏培养皿(未图示)。

参考图1所示的实施例，延伸顶端[130]为从打印头[100]延伸的突出部，延伸顶端[130]止于打印头孔[114]。在该实施例中，延伸顶端[130]与打印头是一体的。

在一个实施例中，两种或更多种水凝胶材料能同轴布置于从本发明提供的系统分配的水凝胶纤维内。参考图6，在图示实施例中，打印头[100]包括微流体通道，微流体通道被布置成产生同轴水凝胶纤维，同轴水凝胶纤维包括水凝胶芯材料和水凝胶壳材料。在图示实施例中，在通道[508]中运送的壳材料是快速凝胶化的水凝胶，例如海藻酸盐，在通道[506]中运送的芯材料是使用者选择的不同水凝胶(例如，胶原质或纤维蛋白原)。通道[508]和通道[506]在水凝胶集中交点[510]处相交，例如以“y形”构造(类似于图3所示的交点[528])结合在一起以形成在通道[506]和[508]下游的集中通道[226]。在水凝胶集中交点[510]，壳材料与芯材料同轴集中使得壳材料形成绕芯材料的鞘。在优选实施例中，通道[508]和[226]具有大于通道[506]的直径，以便于芯材料和壳材料同轴集中。在优选实施例中，壳材料的目的在于提供具有物理结构支撑的芯材料使得其可以形成为三维几何构造。芯可以在材料被沉积之后凝固，凝固的精确方法对于不同的芯材料而言是特定的。例如，芯可以包括很缓慢凝固的材料。在另一个实施例中，芯材料和壳材料包括相同的材料。在又一个实施例中，壳材料包括快速凝固的水凝胶并且芯材料包括将不胶凝的材料，从而便于生成中空纤维。

在一个实施例中，在图6中描绘的打印头[100]还可以包括额外芯材料通道，每个具有相对应的射流开关，例如阀，以用于调节其中的材料流动。射流开关便于快速并且频繁地调整在分配的纤维中的芯材料的组成，例如通过由可编程的控制处理器提供的指令。

在一个实施例中，可布置若干打印头，例如并联布置，以允许同时打印多个结构。这将提高生产量。

在某些实施例中，打印头是一次性的。使用一次性打印头能减少用于不同打印工作中的材料污染的可能性。

例如可以使用已知的微流体成型技术(例如，浇注、印刻或注射成型)和一种或多种可成型的聚合物例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)来制造打印头。替代地，市售三维打印技术可以用于制造打印头。

流体移除特征

在一方面，本发明提供一种用于三维结构的增材制造的系统，其包括用于从接收表面和可选地从已分配的水凝胶的表面上移除过量鞘流体的特征，其中从打印头的孔分配的第一层材料沉积到接收表面上。在打印期间，能使过量鞘流体聚集或“汇集”到接收表面上或者已分配的水凝胶的表面上。这种汇集能干涉从打印头孔分配的水凝胶到接收表面和/或到已分配的水凝胶的一个或多个层上的沉积。例如，汇集的鞘流体可能造成分配的水凝胶纤维从其在正打印的三维结构中的预期位置滑移。因此，在该系统的实施例中，利用流体移除特征从接收表面和可选地从分配的水凝胶的表面上移除过量鞘流体可能改进三维结构的增材制造。

通过从接收表面或者从分配的凝胶的一个或多个层的表面抽走流体，通过允许或便于鞘流体从这些表面蒸发而可以从这些表面移除过量鞘流体，或者在接收表面是多孔性的实施例中，通过抽吸过量鞘流体穿过多孔性表面而可以移除过量鞘流体。

在优选实施例中，接收表面包括多孔性材料，孔隙的大小便于鞘流体从那里通过并且大小适于支撑在其上沉积的一个或多个水凝胶层。

参考图7和图8，在图示实施例中，打印床[108]包括多孔性膜[400]，多孔性膜[400]用作接收第一层分配材料的表面(即，接收表面)。多孔性膜[400]在打印床[108]中保持就位，在盒件[408]与盖件[402]之间。盒件[408]是容器，其可以具有适合于接收和容纳液体的任何形状(例如，正方形、圆形)。盒件[408]内侧的空间被称作腔室[404]。盒件[408]具有上表面[409]，上表面包括延伸盒件[408]的上表面[409]周边的凹陷唇缘[412]。上表面[409]包括由一个或多个壁[410]限定的孔口，孔口由凹陷唇缘[412]包围并且延伸到盒件[408]内。

进一步参考图7和图8中示出的实施例，盖件[402]包括上表面[403]和侧壁[418]，上表面[403]具有穿过它延伸的孔口[416]，侧壁[418]被构造成绕盒件[408]的凹陷唇缘[412]装配，从而便于将盖件[402]放置于盒件[408]的上表面[409]上。当盖件[402]放置于盒件[408]上时，盒中的孔口与盖件[402]对齐。操作中，多孔性膜[400]放置在盒件[408]的上表面[409]上使得多孔性膜延伸在盒件[408]的上表面[409]中的孔口上，然后将盖件[402]放置于盒件[408]顶部上，并且向下压。盖件[402]的向下压力伸展在盒件[408]的上表面[409]中的孔口上的多孔性膜[400]，从而将多孔性膜[400]固持在盒件[408]与盖件[402]之间。在优选实施例中，盖件[402]和盒件[408]紧贴地装配在一起，从而提供在本发明所提供的系统的操作期间保持牢固的连接。

进一步参考图7和图8中示出的实施例，盒件[408]包括固体基座[414]和用于导向流体离开腔室[404]的至少一个出口管[406]，真空源(未图示)与腔室[404]的出口管[406]成流体连通。多孔性膜[400]包括大小便于鞘流体通过的孔隙。联接到出口管[406]的真空源(未图示)可以被致动以通过多孔性膜[400]来抽吸聚集在多孔性膜[400]上的过量鞘流体到腔室[404]内并且从腔室[404]通过出口[406]，将水凝胶纤维以其分配构造留在多孔性膜[400]的顶部上。

在优选实施例中，用于从接收表面和可选地从分配的水凝胶的表面移除过量鞘流体的特征可以包括在被构造成分配材料到多壁板或皮氏培养皿内的系统中。例如，参考图9，在图示实施例中，市售井孔板插件[504]放置于盒件[408]的顶部上。某些井孔板插件[504]为篮形，具有由多孔性膜材料[512]制成的基座。在图示实施例中，垫圈[514]放置于井孔板插件[512]与盒件[408]之间以改进在两个件[504和408]之间的密封。在这些实施例中，井孔板插件[504]的多孔性膜[512]将用作“接收表面”，使用联接到出口管[406]的真空(如上文所描述)或者使用下文所描述的一个其它流体移除特征，任何过量鞘流体能从接收表面移除。

在一个实施例中(未图示)，在打印床上的接收表面包括吸收性材料或者邻近于吸收性材料放置，吸收性材料便于从接收表面吸收过量鞘流体。例如，具有多孔性膜材料制成的基座的井孔板插件(例如，如图9中所示)或者任何其它多孔性膜基底可以放置于吸收性材料的顶部上或邻近吸收性材料，吸收性材料例如海绵。吸收性材料将用来从接收表面抽走过量鞘流体。在吸收性材料安置于多孔性接收表面下方的实施例中，在接收表面上的过量鞘流体将通过多孔性抽吸表面来抽吸到吸收性材料内，从而防止过量鞘流体汇集在接收表面上。在吸收性材料安置于接收表面的一部分的紧邻旁边或顶部上(例如，在接收表面的周围以便不干涉分配的材料的沉积)的实施例中，过量鞘流体将从接收表面抽走并且进入到吸收材料内。

在一个实施例(未图示)中，并非使用上文所描述的打印床之一，一个或多个管可以设置于接收表面附近和打印头孔附近的区域中。一个或多个管可以流体地联接到真空源(未图示)，真空源能提供吸力来从接收表面和可选地从分配的水凝胶的表面移除过量鞘流体。在这些实施例中，也可以使用固态或多孔性接收表面。

在图10所示的一个实施例中，打印头被构造成还包括一个或多个真空通道[700a,700b]，一个或多个真空通道各具有位于打印头孔[222]附近的孔[702a、702b]。一个或多个真空通道[700a、700b]各具有入口[704a、704b]，入口[704a、704b]被构造成便于与一个或多个真空部(未图示)成流体连通。当打印头[100]与真空部成流体连通时，一个或多个真空通道[702a,702b]将负压导向至接收表面的区域(其中材料正被分配或者已经从打印头孔[222]分配)和/或分配的水凝胶的表面区域的一部分，从而从接收表面和可选地从分配的水凝胶的表面抽走过量的鞘流体，从而排除鞘流体汇集在接收表面上和/或分配的水凝胶上。

在一个实施例中，一个或多个真空管至少部分地设置于从打印头突出的一个或多个延伸部中，延伸部在与包括打印头孔和分配通道的延伸部相同的总体方向上突出(参看例如图10)。在这些实施例中，包括真空管的一个或多个延伸部并不延伸比包括打印头孔和分配通道的延伸部更远以便不干涉分配和沉积的水凝胶。

在某些实施例中设想到流体移除特征可以是鞘流体组合物本身的特征。例如，鞘流体组合物可以被设计成在其从打印头孔分配之后蒸发，从而排除了过量鞘流体汇集在接收表面或分配的水凝胶的表面上。例如，鞘流体可以具有沸点，该沸点使得鞘流体在分配之后蒸发，同时在分配之前仍保持在液态。

打印三维结构的方法

在一方面，提供一种打印三维(3D)结构的方法。

该方法首先包括提供待打印的三维结构的设计。该设计可以使用市售CAD软件来创建。在一个实施例中，这种设计包括关于待分派给该设计中的具体几何位置的具体材料的信息(例如，对于包括多种材料的异质结构)。

该方法包括使用三维打印机，打印机包括：打印头；接收表面，其用于接收由打印头分配的材料；以及，定位单元，其可操作地联接到接收表面，定位单元用于将打印头定位在接收表面上方的三维空间中的位置。例如，本文提供的打印系统的各种实施例可以用于打印三维结构的方法中。

该方法包括提供待由打印头分配的至少两种材料，诸如鞘流体和水凝胶流体。在优选实施例中，一种或多种细胞类型可以与水凝胶相容并且可选地分配在水凝胶内。在优选实施例中，鞘流体用作润滑剂以润滑水凝胶在打印头内和从打印头的移动。在优选实施例中，鞘流体包括用于在从打印头分配水凝胶之前或同时使水凝胶的至少一部分凝固的交联剂。

该方法包括将这种设计通信给三维打印机。例如通过可编程的控制处理器来实现这种通信。

该方法包括控制打印头和接收表面在三维空间中的相对定位并且同时从打印头单独地或组合地分配鞘流体和水凝胶。在优选实施例中，从打印头分配的材料同轴分配，使得鞘流体包封水凝胶。这种同轴布置允许交联剂使水凝胶凝固，从而得到从打印头分配的固体水凝胶纤维。

该方法包括将分配材料的第一层沉积到接收表面上，第一层包括由设计规定的材料的布置并且迭代地重复沉积步骤，将随后的材料沉积到第一和随后材料层上，从而以设计规定的几何布置来逐层沉积分配的材料以产生载细胞三维结构。

在优选实施例中，多种材料，例如多种水凝胶(其中的至少某些包括一种或多种细胞)以受控制的顺序沉积，从而允许以设计所规定的几何布置来沉积水凝胶和细胞类型的受控制的布置。

在优选实施例中，该方法包括从接收表面和可选地从分配的水凝胶的表面移除过量鞘流体。例如，移除过量鞘流体的步骤可以在整个打印过程中持续地进行，从而移除原本可能会干扰分配的材料以设计提供的几何布置分层的过量流体。替代地，移除过量鞘流体的步骤可以在整个打印过程中与一个或多个沉积步骤按顺序间歇或同时地进行。在某些实施例中，通过从接收表面和可选地从分配的水凝胶表面抽走流体来实现过量鞘流体的移除。在另一个实施例中，通过接收表面抽吸过量流体来实现过量鞘流体的移除，接收表面包括大小适于允许鞘流体通过的孔隙。在另一个实施例中，通过提供在从打印头孔分配之后蒸发的鞘流体来实现过量鞘流体的移除。

打印载细胞三维结构的系统和方法的实施例的示例性用途

在某些实施例中，使用本文提供的系统和方法生成的结构可以适用于药物发现的领域中，其中，例如确定对于各种化学化合物和组合物的细胞响应是有兴趣的。使用本文所提供的系统和方法的实施例制造的三维细胞培养相对于二维细胞培养可以提供在体内细胞和组织条件方面更密切地类似的实验条件。细胞的三维布置可以更接近地模仿体内细胞-细胞相互作用和对于外部刺激的响应并且使用本发明提供的设备和方法生成的三维结构的异质性质允许研究组织和潜在器官。设想到使用本发明提供的系统和方法的实施例制造的三维载细胞结构通过给出测试化妆品的替代手段而可以提供类似的益处给化妆品行业。

在某些实施例中，本发明提供的系统和方法的各种实施例与标准井孔板技术相容。井孔板或井孔板插件可以结合本发明提供的方法和系统中的打印床使用或者用作打印床的部分。本发明提供的系统和方法的各种实施例因此与利用井孔板的仪器和惯例相容，允许它们易于整合到现有的工艺流程内。

在某些实施例中，在打印头内的微流体通道能与其它微流体模块相容。例如，已知的微流体模块可以包括于本发明提供的系统的打印头中，在打印头孔的上游。这些模块可以包括例如细胞计数、细胞分选、细胞分析和/或浓度梯度生成模块。

在某些实施例中，可以通过向系统添加并行的额外打印头而增加三维打印的处理量。每个打印头包括打印多材料结构所需的所有元件，因此通过在该系统中包括额外打印头而允许同时打印若干三维结构。

尽管参考某些具体实施例描述了本发明，本发明的各种修改将对于本领域技术人员显而易见，而不偏离本发明所附权利要求所概述的本发明的目的和范围。包括本发明提供的示例仅用于说明本发明的目的并且绝无以任何方式限制本发明的意图。本发明提供的任何附图仅用于说明本发明的各种方面的目的并且绝无以任何方式按照比例绘制或限制本发明的意图。在本文所叙述的所有现有技术的公开以引用的方式如同全文地陈述地并入到本文中。

参考资料

以下参考资料作为关于本发明的已知技术的示例给出。下表并无涵盖所有相关领域的综合列表的意图。在专利说明中列出的所有参考资料的全部内容，包括下列文献，以引用的方式如同其全文地陈述地并入到本文中。

1.Su-JungShin、Ji-YoungPark、Jin-YoungLee、HoPark、Yong-DooPark、Kyu-BackLee、Chang-MoWhang和Sang-HoonLee,""Onthefly"continuousgenerationofalginatefibersusingamicrofluidicdevice"，Langmuir,第23卷，2007，第9104-9108页。

2.SaifKhalil和WeiSun，"Bioprintingendothelialcellswithalginatefor3Dtissueconstructs"，JournalofBiomechanicalEngineering(生物工程学期刊)，第131卷，2009，第111002-1-111002-8页。

3.MinHu、RenshengDeng、KarlM.Schumacher、MotoichiKurisawa、HongyeYe、KristyPurnamawati和JackieY.Ying,"Hydrodynamicspinningofhydrogelfibers"，Biomaterials(生物材料)，第31卷，2010，第863-869页。

4.ByungKim、IntaeKim、WooseokChoi、SunWonKim、JooSungKim和GeunbaeLim，"Fabricationofcell-encapsulatedalginatemicrofiberscaffoldusingmicrofluidicchannel"，JournalofManufacturingScienceandEngineering(制造科学与工程期刊)，第130卷，2008，第021016-1-021016-6页。

5.EdwardKang、Su-JungShin、KwangHoLee和Sang-HoonLee，"NovelPDMScylindricalchannelsthatgeneratecoaxialflow,andapplicationtofabricationofmicrofibersandparticles"，LabonaChip，第10卷，2010，第1856-1861页。

6.HiroakiOnoe、RihoGojo、YukikoTsuda、DaisukeKiriyaand,和ShojiTakeuchi，"Core-shellgelwiresfortheconstructionoflargeareaheterogeneousstructureswithbiomaterials"，IEEEMEMS会议，2010，第248-251页。

7.SetarehGhorbanian(2010)，Microfluidicprobefordirectwriteofsoftcellscaffolds,M.Eng.Thesis.McGillUniversity:Canada.

8.EdwardKang、GiSeokJeong、YoonYoungChoi、KwangHoLee,AliKhademhosseini和Sang-HoonLee，"Digitallytunablephysicochemicalcodingofmaterialcompositionandtopographyincontinuousmicrofibers"，NatureMaterials，第10卷，2011，第877-883页。

9.EP2489779A1

10.US2006/0105011A1

11.US2011/0136162A1

12.US2012/0089238A1

13.WO2012009363A1

Claims (35)

1.一种用于三维结构的增材制造的系统，所述系统包括：

-至少一个打印头，所述至少一个打印头用于接收和分配材料，所述材料包括鞘流体和水凝胶，所述打印头包括：

-用于分配所述材料的孔；

-微流体通道，所述微流体通道包括用于接收和导向所述鞘流体的一个或多个第一通道和用于接收和导向所述水凝胶的一个或多个相应第二通道，所述第二通道在第一交点与所述第一通道相交，所述第二通道和所述第一通道在所述第一交点结合在一起以形成分配通道，所述分配通道延伸到所述孔；以及

-射流开关，每个射流开关对应于所述打印头中的所述微流体通道之一并且被构造成当被致动时允许或不允许所述打印头的所述微流体通道中的流体流动；

-接收表面，所述接收表面用于接收从所述孔分配的所述材料的第一层；

-定位单元，所述定位单元用于将所述打印头的孔定位于三维空间中，所述定位单元可操作地联接到所述打印头；以及

-分配装置，所述分配装置用于从所述打印头的所述孔分配所述材料。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：可编程的控制处理器，其用于控制所述定位单元和控制所述材料从所述打印头到所述接收表面上的分配。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述一个或多个第一通道包括至少两个通道，所述一个或多个第一通道被构造成在所述第一交点处在相应第二通道的侧部。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述鞘流体包括交联剂，所述交联剂用于使所述水凝胶在所述交点和/或所述分配通道中与所述交联剂接触时凝固。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，每个第二通道具有比所述第一通道和分配通道的直径更小的直径，其中来自所述第一通道的流动形成围绕所述分配通道中的所述水凝胶的同轴鞘。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述水凝胶包括活体细胞。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括：流体移除特征，其用于移除从所述打印头分配的过量鞘流体。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述接收表面包括多孔性膜，所述多孔性膜包括孔隙，所述孔隙大小适于允许所述过量鞘流体从所述孔隙通过。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述流体移除特征包括吸收剂材料或真空，所述吸收剂材料或真空用于将所述过量鞘流体从所述接收表面抽走。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述吸收剂材料或真空施加在多孔性膜下方。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述真空施加于所述接收表面上方。

12.根据权利要求11所述的系统，其中通过设置于所述打印头上的一个或多个真空通道来施加所述真空，所述一个或多个真空通道具有位于所述打印头的孔附近的孔。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，还包括：用于容纳所述材料的储集器，所述储集器分别流体地联接到所述打印头中的所述微流体通道。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述打印头还包括用于接收来自所述储集器的所述材料的至少两个入口，所述入口中每一个与相应微流体通道和所述相应储集器流体连通。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其中，所述分配装置包括压力控制单元。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的系统，其中，所述射流开关包括阀。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的系统，其中，所述打印头还包括中空突出部，所述中空突出部被构造成从所述孔朝向所述接收表面延伸。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的系统，其中，所述打印头包括两个第二通道，所述第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，所述两个第二通道在第二交点相交并且在所述第二交点结合在一起以形成第三通道，所述第三通道延伸到所述第一交点。

19.一种用于三维结构的增材制造的系统，所述系统包括：

-至少一个打印头，其用于接收和分配材料，所述材料包括鞘流体和水凝胶，所述打印头包括：

-用于分配所述材料的孔；

-微流体通道，其用于接收材料并且将所述材料导向至所述孔；以及

-射流开关，每个射流开关对应于所述打印头中的所述微流体通道之一并且被构造成当被致动时允许或不允许所述打印头中的所述微流体通道中的流体流动；

-接收表面，其用于接收从所述孔分配的所述材料；

-流体移除特征，其用于移除从所述孔分配的过量鞘流体；

-定位单元，其用于将所述打印头的孔定位于三维空间中，所述定位单元可操作地联接到所述打印头；以及

-分配装置，其用于从所述打印头的所述孔分配所述材料。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述流体移除特征包括真空，所述真空用于将所述过量鞘流体从所述接收表面或者穿过所述接收表面抽走和/或从所述接收表面上分配的所述水凝胶抽走。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述接收表面包括多孔性膜，所述多孔性膜包括孔隙，所述孔隙大小适于允许所述过量鞘流体从所述孔隙通过。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述真空施加在所述多孔性膜的下方。

23.根据权利要求20所述的系统，其中，所述真空施加于所述接收表面上方。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，通过设置于所述打印头上的一个或多个真空通道来施加所述真空，所述一个或多个真空通道具有位于所述打印头的孔附近的孔。

25.根据权利要求19所述的系统，其中所述流体移除特征包括吸收剂材料，所述吸收剂材料用于从所述接收表面抽走所述过量鞘流体。

26.根据权利要求21至25中任一项所述的系统，还包括：可编程的控制处理器，其用于控制所述定位单元和控制所述材料从所述打印头到所述接收表面上的分配。

27.根据权利要求21至26中任一项所述的系统，其中，所述打印头还包括中空突出部，所述中空突出部被构造成从所述孔朝向所述接收表面延伸。

28.根据权利要求21至27中任一项所述的系统，其中，所述打印头包括：用于接收和导向所述鞘流体的一个或多个第一通道和用于接收和导向所述水凝胶的一个或多个相应第二通道，所述第二通道与所述第一通道在第一交点相交，所述第二通道和第一通道在所述第一交点结合在一起以形成分配通道，所述分配通道延伸到所述孔。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述打印头包括两个第二通道，所述第二通道中每一个适于传送相应水凝胶，所述两个第二通道在第二交点相交并且在所述第二交点结合在一起以形成第三通道，所述第三通道延伸到所述第一交点。

30.一种打印三维(3D)结构的方法，所述方法包括：

-提供三维打印机，所述打印机包括：

-至少一个打印头，其包括用于分配材料的孔；

-接收表面，其用于接收从所述打印头的所述孔分配的所述材料的第一层；以及

-定位单元，其可操作地联接到所述打印头，所述定位单元用于将所述打印头定位于三维空间中；

-提供待分配的材料，所述待分配的材料包括鞘流体和一种或多种水凝胶；

-向所述打印机编码待打印的三维结构；

-从所述打印头孔分配待分配的材料；

-将分配的材料的第一层沉积到所述接收表面上；

-通过将随后分配的材料沉积到所述第一层和任何随后沉积的材料层上而重复所述沉积步骤，从而以根据所述三维结构的几何布置来逐层沉积所述分配的材料；以及

-在沉积步骤期间或者在沉积步骤之间，在一个或多个时间点，移除由所述打印头孔分配的过量鞘流体。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述鞘流体包括适合于在与所述水凝胶接触时使所述水凝胶交联和凝固的交联剂，所述接触形成水凝胶纤维。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述鞘流体和所述水凝胶以同轴布置分配，其中所述鞘流体包封所述水凝胶。

33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中，所述沉积步骤和所述移除步骤持续地执行，从而在沉积所述分配材料层时持续地移除所述过量鞘流体。

34.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中，所述移除步骤在所述沉积步骤之间和/或与所述沉积步骤同时间歇地执行，从而在沉积所述分配材料层时间歇地移除所述过量鞘流体。

35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其中，所述一种或多种水凝胶适于支持分散于其中的活体细胞的生长和/或增殖。