CN107206788A - 激光打印方法和用于执行所述方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用至少一种墨水的打印方法。所述方法包括：聚焦激光束(66)以在墨水膜(74)中产生空腔的步骤；从墨水膜(74)的自由表面(78)形成至少一个墨水液滴(82)的步骤；和将所述液滴(82)沉积到位于距离膜(74)给定距离(L)处的接收基板(58)的沉积表面(56)上的步骤。所述方法的特征在于，激光束(66)指向与重力(G)方向相反的方向。膜的自由表面(78)向上朝向位于墨水膜(74)上方的沉积表面(56)。

Description

激光打印方法和用于执行所述方法的装置

本发明涉及一种激光打印方法和用于实现所述方法的装置。

墨水打印在许多领域中用来重现复杂的设计。因此，特别是可以在诸如生物学、电子学、材料或钟表制造等多个领域中实施元件打印。在这些领域遇到的问题类似，特别是涉及用于以非常小的规模制造元件组合的需求。包括在特定位置沉积材料的图案的再现可以通过使用掩模或借助于选择性消融的步骤在化学或物理上进行。

为了克服这些方法的缺点(污染的风险、复杂的实施、沉积数种元件的困难组合)，已经开发了墨水打印方法。这些方法的优点有为适于使用与其相关的计算机辅助设计工具非常自由地生成元件图案。

在生物学领域，取决于结构，所述打印方法称为生物打印、生物元件的微印或简单的生物打印。

根据这些方法，通过打印生物墨水的液滴获得生物组织。为了达到一定的体积，液滴被布置成彼此堆叠的层。

在第一个实施方式中，墨水被储存在罐中并通过喷嘴或毛细管，以形成会转移到基板上的液滴。这种所谓喷嘴打印的第一替代方案包括生物挤出、喷墨打印或微阀打印。

生物挤出使得可以获得1亿个细胞/毫升量级的高细胞密度，和1毫米的分辨率。

微阀打印使得可以获得数百万个细胞/毫升量级的较小的细胞密度及100μm量级的更好的分辨率。喷墨打印使得可以获得小于1000万个细胞/毫升的与微阀打印相似的细胞密度，及10μm量级的更好的分辨率。

在生物挤出的情况下，从第一喷嘴沉积细胞，并且同时从第二喷嘴沉积水凝胶。作为替代方案，在挤出之前将细胞和水凝胶在罐中混合。在另外两种情况下，墨水是含有细胞的水性介质。根据替代方案，生物挤出使得可以连续地将墨水作为细丝或不连续地作为液滴沉积。

根据这种喷嘴打印模式，由于打印分辨率特别与喷嘴部分相关，仅具有给定流变特性的生物墨水可用于高分辨率。具有高细胞密度的生物墨水因此难以以高分辨率打印，因为这种打印技术在墨水通过喷嘴时引起易于损坏细胞的高剪切应力。此外，对于这种类型的墨水，喷嘴被细胞阻塞的风险很重要，这主要是因为罐内的细胞沉淀。

已经开发了通过激光打印生物元件的方法，以便能够使用广泛的生物墨水并实现高分辨率。被称为激光生物打印的这种打印方法也被称为“激光辅助生物打印”(LAB)。具体而言，本发明涉及这种类型的打印方法。为了进行比较，生物激光打印使得可以以1亿个细胞/毫升的高细胞密度和10μm的分辨率打印墨水。

类似地，也在其他领域开发了激光打印，以便提高分辨率和扩大可用墨水的范围。

与喷嘴打印技术相比，激光打印提供更大的使用灵活性(能够打印在柔软、不平坦的表面上...)，降低剪切应力，并限制沉淀的风险。根据另一个优点，可以从几微升量级的小量墨水进行打印，这对于昂贵材料的沉积是有趣的。最终，如WO2011/107599中所述，可以使用打印系统来查看和选择液滴区域。

如图1所示，基于所谓的“激光诱导正向转移”(LIFT)技术的用于激光打印生物元件的装置包括：发射激光束12的脉冲激光源10，用于聚焦和定向激光束12的系统14，包括至少一种生物墨水18的供体基板16和经放置以接收从供体基板16发射的液滴22的接收基板20。

根据该打印技术，激光束是脉冲的，并且在每个脉冲上产生液滴。

生物墨水18包含例如水性介质等基质，其中存在将沉积在接收基板20上的例如细胞等元件。供体基板16包含对激光束12的波长透明的刮板24，其涂覆有吸收层26，在吸收层26上生物墨水18作为膜固定。

吸收层26使得可以将光能转化为动能。因此，激光束12在吸收层26处产生精准加热，该吸收层26通过蒸发产生气泡28，气泡28通过膨胀引起生物墨水的液滴30的喷射。

根据已知的布置，激光束12通过在大致垂直方向和向上的方向上或与重力G相同的方向上定向冲击供体基板16。因此，生物墨水18被放置在刮板24下以使其向下定向，朝向放置在供体基板16下方的接收基板20。

鉴于这种布置，生物墨水18具有厚度E低于给定阈值的膜的形式以保持在刮板上。特别是，该阈值根据生物墨水的表面张力、粘度和密度而变化。

来自墨水膜的液滴30的形成取决于许多参数，特别是与激光束12(波长、能量、脉冲持续时间、...)、生物墨水18的性质(表面张力、粘度、...)、外部条件(温度、湿度、...)相关。

液滴30的形成也取决于生物墨水膜的厚度E。如果生物墨水膜的厚度E不处于由下限和上限限定的厚度范围内，则不会形成液滴。如果厚度E具有高于上限的值，则由于气泡28的膨胀太弱而不能到达膜的自由表面，所以不会形成液滴。如果厚度E具有低于下限的值，则气泡28将在自由表面处爆裂，导致多个微滴不受控制地朝向接收基板投射。

因此，在供体基板16的整个表面上，膜厚度E必须基本上恒定，以在受激光束12影响的供体基板16的任何区域获得形成液滴的再现性。现在，如图1所示，该厚度E不恒定。

这种再现性问题不限于生物墨水的情况。在使用墨水膜的激光打印期间，其在何种领域都是存在的。

为了解决这个问题，2011年10月1日在www.elsevier.com网站上发表的题为“Microdroplet deposition through a film-free laser forward technique”的出版物提供了如图2所述的装置。如前所述，该装置包括发射激光束34的激光源32，用于聚焦和定向激光束34的系统36，包含至少一种生物墨水40的供体基板38，和经放置以接收从供体基板38发射的液滴44的接收基板42。

根据该出版物，供体基板38包括没有上壁的罐46，使得容纳在罐中的生物墨水40的自由表面48面向接收基板42。为了获得规则的基本平坦的自由表面48，生物墨水不是薄膜，而是深度为3mm级别的体积。因此，罐底部对生物墨水的自由表面48的形状没有影响，并且由于表面张力，罐的侧壁在自由表面48的周围具有有限的作用。

鉴于生物墨水的体积的深度，自由表面48必须向上以停留在罐中，且接收基板42位于生物墨水40之上。

根据此文献，为了获得液滴的喷射，激光束34刚好在自由表面48的下方聚焦，并具有40μm至80μm量级的深度。因此，从自由表面48发射的液滴在与重力G的方向相反的运动方向上朝向接收基板42投射。

尽管该出版物提出的解决方案使得可以获得墨水的平坦的自由表面48，但是它不一定适用于诸如生物墨水等悬浮液形式的墨水。事实上，如上所述，这样的生物墨水含有嵌入基质中的待打印的元件，例如细胞，其倾向于沉淀在罐底部。由于在自由表面附近待打印的元件的浓度低，打印的液滴具有事实上的低细胞浓度，这通常对打印的生物组织是不利的。此外，根据该方法，难以控制细胞数量和沉积细胞的浓度。

这种沉淀问题不仅限于生物墨水。

因此，无论所述墨水的应用领域如何，在如悬浮液(诸如液体基质中的颗粒或纳米颗粒的悬浮液)等墨水的激光打印期间都发现该问题。

根据该出版物的方法的另一缺点，墨水必须能够吸收激光束，这可能会限制可以使用该技术打印的墨水的范围。

因此，本发明旨在提供一种能够以高精度打印多种元件的打印方法来弥补现有技术的缺点。特别是，本方法使得可以打印多种生物元件，特别是从而获得复杂的生物组织。出于此目的，本发明涉及一种用至少一种墨水打印的方法，所述方法包括聚焦激光束以在墨水膜中产生空腔的步骤，从墨水膜的自由表面形成至少一个墨水液滴的步骤，和将所述液滴沉积到位于距离膜给定距离处的接收基板的沉积表面上的步骤，其特征在于，所述激光束指向与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积表面。

特别是，这种构造使得可以获得墨水膜的基本恒定的厚度E，同时限制沉淀现象的发生。此外，它使得可以应用多种墨水。

使用根据本发明的方法打印的墨水可以是任何液体墨水，并且可以是溶液或悬浮液。

在可用的墨水中，可提及生物墨水、用于电子或制表的墨水。

根据一个应用，所述墨水是生物墨水。

根据另一个特征，膜具有小于500μm的厚度，和/或具有大于或等于10的自由表面尺寸与膜厚度的比。

优选调节墨水膜和沉积表面之间的距离和/或光束激光能量，从而使当液滴接触沉积表面时，液滴的动能几乎等于零。这种特征限制了损坏液滴中所含元件(细胞或其他元件)的风险。

根据一个实施方式，墨水膜和沉积表面之间的距离等于1mm～2mm，并且调节光束激光能量，从而使当液滴接触沉积表面时液滴的动能几乎等于零。

根据另一个特征，打印方法包括激光束能量的初步校准阶段。该校准阶段包括：在激光束的冲击之后的设定时间测量墨水膜的自由表面的变形的夹角的步骤，和作为夹角的测量值的函数调节激光束能量的步骤。

激光束能量被调节为使夹角小于或等于105°。在这种情况下，激光束能量足以引起液滴的形成。

有利的是，激光束的能量被调节为使夹角大于或等于第二阈值，以在形成的液滴到达沉积表面时获得几乎等于零的动能。

对于膜厚度为40μm～50μm量级的墨水(优选为生物墨水)，测量夹角的时间优选为自激光束冲击起的4μs～5μs的量级。

有利的是，所述墨水膜的厚度大于20μm。

对于待打印元件浓度高的悬浮液形式的墨水，墨水膜的厚度优选为40μm～60μm。有利的是，为了改善待打印元件的沉积精度，墨水膜74的厚度E为1.5D～2D，其中D是具有近似球形形状的待打印元件的直径，或待打印元件所内接的球形的直径。

本发明还涉及一种用于实现本发明的打印方法的打印装置。它包括：

-至少一个被配置为发射激光束的脉冲激光源，

-用于聚焦和定向所述激光束的光学系统，

-至少一个供体基板，其上至少附有具有自由表面的墨水膜，和

-至少一个包含沉积表面的接收基板。

所述打印装置的特征在于，激光束指向与重力相反的方向，并且膜的自由表面向上朝向位于墨水膜上方的沉积表面。

其他特征和优点将从以下对本发明的描述中显现，并且所述描述仅通过示例的方式参考附图给出，其中：

-图1是示出现有技术的替代方案的激光打印装置的示意图，

-图2是示出本发明的另一替代方案的激光打印装置的示意图，

-图3是示出本发明的激光打印装置的示意图，

-图4A至4D是示出根据不同速率是否形成液滴的侧视图，

-图5A至5D是示出在其形成的不同时间的液滴的图，最后的图5D示出了液滴到达接收基板的时间，

-图6是供体基板一部分，其示出了待打印的元件的尺寸与生物墨水膜的厚度之间的关系，

-图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时产生的突起的侧视图，

-图8是根据本发明的一个实施方式的打印装置的示意图，其组合了至少一个激光型打印头和至少一个喷墨型打印头，

-图9是根据本发明的一个实施方式的打印装置的透视图，其组合了一个激光型打印头和数种喷墨型打印头，

-图10是当用喷墨型打印头进行打印时图9的打印装置的一部分的透视图，

-图11是当用激光型打印头进行打印时图9的打印装置的一部分的剖视图，

-图12是待复制的生物组织的一部分的3维示像的透视图，

-图13是图12的示像的切片的透视图，

-图14是图13的切片的俯视图，其示出了生物墨水液滴的定位。

图3显示打印装置50，其根据各种组分如细胞外基质和各种成型素的预定布置，通过逐层组装来生产至少一个生物组织。因此，打印装置50使得可以将至少一种生物墨水54的液滴52逐层沉积到沉积表面56(对应于接收基板58的表面)上，用于第一层或沉积在用于后续层的所述接收基板58上的最后层。

为了简化示像，沉积表面56对应于图3中的接收基板58的表面。

根据图6中的一个实施方式，生物墨水54包含基质60，例如水性介质，其中可发现待打印到沉积表面56上的元件62，例如细胞或细胞聚集体。

这种情况可以是，生物墨水54在基质60中仅包含一种待打印的元件62或几种待打印的元件62。在替代方案中，生物墨水54可以仅包含一种组分。

对于本专利申请，生物墨水是指生物性材料或生物材料。例如，生物墨水仅包含细胞外基质(例如，胶原蛋白)、细胞外基质和诸如细胞或细胞聚集体等元件、含有诸如细胞或细胞聚集体等元件的水性介质。

不再进一步描述生物墨水54，因为一种墨水与另一种墨水可具有不同类型和不同的流变特性。

该打印装置包括被配置为发射激光束66的激光源64，激光束66具体而言特征在于其波长、其频率、其能量、其直径、其脉冲持续时间。激光源64优选可以被配置成调节激光束的至少一个特性，特别是其能量。

为了形成彼此分离的液滴，激光源64是脉冲源。为了给出数量级，可以喷出10,000个液滴/秒。

例如，激光源64是波长为1,064nm的激光源。

除了激光源之外，打印装置50包括光学系统68，其能够沿垂直于沉积表面56的Z轴调节焦点。有利的是，光学系统68包括透镜，其可以使激光束66聚焦到所冲击的区域。光学系统68优选包括改变受冲击区域的位置的反射镜。因此，光学系统68使得可以在图3中的标记Pi的冲击平面中改变通过激光束冲击的区域。

也不进一步描述激光源64和光学系统68，因为它们是本领域技术人员已知的，并且可以与现有技术的那些相同。

打印装置50还包括至少一个供体基板70，根据一个实施方式，供体基板70包括用于激光束66的波长的吸收层72，其上固定有至少一种生物墨水的膜74。

在以下描述的部分中，膜意味着生物墨水占据具有小于500μm的厚度(在垂直于冲击平面Pi的方向上的尺寸)的体积。

与罐不同，生物墨水作为膜包装使得可以避免沉淀现象。

吸收层72由适于激光束66的波长的材料制成，以将光能转换成吸收层72的精准加热。

供体基板70优选被放置为使光学系统将激光束聚焦在吸收层72上。

根据一个实施方式，根据激光束66的波长，吸收层72由金、钛或其它组分制成。

根据另一个实施方式，供体基板70不包括吸收层72。在这种情况下，激光束66的能量被墨水吸收。

供体基板70优选包括由对于激光束66的波长透明的材料制成的刮板76，在刮板76的一个面上包括对应于吸收层72的涂层。刮板76的存在赋予供体基板70硬度，其使得可以控制和保持在冲击平面Pi中基本平坦的墨水和/或吸收层72。

生物墨水膜74包括自由表面78，其与吸收层72之间的距离E对应于膜74的厚度，并且与沉积表面56之间的距离为L。自由表面78和沉积表面56彼此面对。

如图3所示，激光束66适于在吸收层和生物墨水膜74之间的界面处产生空腔80，生物墨水膜74产生液滴82，液滴82从自由表面78分离以移动到沉积表面56。

在描述的以下部分中，垂直方向与重力G平行，上下方向与重力G的方向相对应。

激光束66的方向和液滴的移动方向平行于垂直方向。

向上打印：

根据本发明的一个特征，激光束66和由此的液滴82的运动朝向与重力G相反的方向。因此，生物墨水膜74的自由表面78向上。当从生物墨水膜74移动到沉积表面56时，液滴82沿上下方向向上移动。

此构造提供以下优点：

-由于生物墨水是一种膜形式，限制了沉淀现象的发生，

-由重力G对膜74的自由表面78的形状的影响被向上朝向的自由表面78限制，可以获得用于生物墨水膜74的基本上恒定的厚度E，

-当使用生物墨水膜74的独立吸收层72将光能转换为精准加热时，使得可以使用多种生物墨水。

在接收基板上沉积液滴时几乎为零的动能：

来自生物墨水膜的液滴82形成将取决于许多参数，主要是生物墨水的特征、激光束的特征和实施条件。

图4A至4D显示对于激光束66能量的不同值，在生物墨水膜的自由表面变形时的演变，其导致或不导致液滴形成，激光束66的能量在图4A中为21μJ，图4B中为35μJ，图4C中为40μJ，图4D中为43μJ。

对于相同的生物墨水并且在相同的实施方式条件下，可以注意到，根据激光束的能量存在几种速率。

如图4A所示，如果激光束的能量小于下阈值，则液滴不会从生物墨水膜74中脱离。因为在墨水膜74的自由表面78处产生的变形84的最大高度小于膜74和沉积表面56之间的距离L，没有元件被打印。根据所选实例，下限阈值范围为21μJ～35μJ。如图4D所示，如果激光束的能量高于上阈值，则膜内产生的气泡80在自由表面处破裂，从而导致微滴的不受控制的投射。根据所选实例，上阈值范围为40μJ～43μJ。

如图4B和4C所示，在下阈值和上阈值之间，该速率使得其能够形成喷射。

如果膜74和沉积表面56之间的距离L足够，则该速率能够使得形成液滴。

距离L优选为1mm～2mm的量级，以能够形成液滴，而不是从膜延伸到沉积表面的连续喷射。该构造限制了由生物墨水获得的生物组织污染的风险。

根据本发明的另一特征，如图5D所示，对于相同的生物墨水并且在相同的实施方式条件下，墨水膜74和沉积表面56之间的距离L和/或束激光器66的能量被调节为使当液滴82接触沉积表面56时，液滴的动能几乎等于零。该构造限制了损坏待打印的元件(细胞)的风险。

几乎等于零意味着动能为零或是略微正的，以使液滴沉淀在沉积表面56上。

这种情况是可能的，因为液滴82在与重力G相反的方向上移动。

生物墨水膜74和沉积表面56之间的距离L优选是固定的。因此，调节激光束66的能量，从而使当液滴82接触沉积表面56时，液滴的动能几乎等于零。

无论何种应用，以零速度进行沉积的速率打印都会降低当接触沉积表面时液滴飞溅的风险。

校准技术：

如上所述，液滴的形成不仅与激光束的能量有关。它也与生物墨水的性质，特别是粘度、表面张力及其实施条件有关。

图5A至5D，7A至7D示出的校准方法用于确定激光束的能量以获得液滴的形成和沉积的最佳速率，特别是导致在给定距离L处以零速度沉积的速率。

图5A至5D显示在图5A所示的激光束的冲击时和液滴82沉积在沉积表面56时之间的形成液滴82的某些步骤。

根据本发明的一个特征，用于调节激光能量的校准方法包括以下步骤：在激光束66的冲击后的设定时间T1测量生物墨水膜74的自由表面78的变形86的夹角θ，及根据夹角θ的测量值调节激光束66的能量。

如图5B、7A和7B所示，变形86相对于与垂直方向平行的中轴线Am具有对称的形状。该变形86包括以中轴线Am为中心的顶点S。该顶点S对应于离膜74的自由表面78的其余部分最远的变形区域86。

在包含中轴线Am的平面中，顶点S由中轴线Am的一侧上的第一侧面88延伸，并且在中轴线Am的另一侧上由第二侧面88'延伸，两侧面88、88'相对于中轴线Am是对称的。

每个面88、88'包括拐点。

第一侧面88在其拐点处包括第一切线Tg1，并且第二侧面88'在其拐点处包括第二切线Tg2，其中两个切线Tg1和Tg2在中轴线Am的点处交叉。

夹角θ对应于由切线Tg1和Tg2形成并面向膜74(或向下)形成的角。

为了形成液滴，夹角θ必须小于或等于第一阈值θ1。

如图7A所示，如果夹角θ大于第一阈值θ1，则激光束的能量不足以产生液滴。相反，如图7B所示，如果夹角θ小于第一阈值θ1，则激光束能量足以产生液滴。

为了当所形成的液滴到达与膜74的自由表面78相距距离L处的沉积表面56时，获得接近零的动能，夹角θ必须大于或等于第二阈值θ2。

夹角θ的值优选使用在变形86的时间T1的取样(拍摄)来确定。在一个实施方式中，使用照相机进行拍摄，该照相机的视轴垂直于垂直方向。

有利的是，时间T1取决于膜厚度，并且在一种墨水与另一种墨水之间具有极少的变化。对于厚度为40μm～50μm量级的膜厚度E，有利的是，从激光束冲击起的时间T1为4μs～5μs的量级。该时间T1如图5B所示。

第一阈值θ1大约等于105°。因此，如果在时间T1，夹角θ小于或等于105°，则激光束能量足以产生液滴82。

第二阈值θ2取决于沉积表面56和墨水膜74的自由表面78之间的距离L。第二阈值θ2与距离L成反比。

对于1mm量级的小距离L，第二阈值θ2较高，等于大约80°。将优选相对较小的距离L，以减小喷射中的应力和液滴与沉积表面接触时的应力。对于10mm量级的大距离L，第二阈值θ2较低，等于大约50°。如果需要远程打印，则优选相对较长的距离L，例如，如果供体基板70具有比沉积表面56位于其底部的孔的尺寸更大的尺寸。

用于校准激光束能量的这种技术使得可以通过减少喷射来优化喷射的速度，以限制损坏包含在墨水中的元件(特别是在沉积表面56上沉积时)的风险。

墨水膜的厚度：

生物墨水组合物优选包括高浓度的待打印的元件62，以获得具有高细胞浓度的生物组织。在这种情况下，如图3所示，液滴82包括待打印的元件62浓度高的体积分数。

对于高浓度的生物墨水，膜74的厚度E为40μm～60μm的量级。

为了提高待打印的元件的沉积精度，有利的是，生物墨水的膜74的厚度E为1.5D～2D，其中D是具有近似球形形状的待打印元件62的直径，或待打印元件62所内接的球形的直径。

根据一个实施方式，对于直径为10μm～15μm量级的较小待打印元件，生物墨水膜74的厚度E大于或等于20μm。当待打印元件62是细胞的聚集体时，膜的厚度E可以是400μm量级。

通常，当待打印元件62是单元细胞时，膜的厚度E小于100μm。

优选地，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的尺寸对应于平行于冲击平面Pi的平面中膜74的自由表面78的最大尺寸。

组合激光型打印头和喷嘴打印头的打印技术：

根据本发明的另一个特征，所述打印方法使用至少用于第一生物墨水的至少一个激光型打印头和至少用于第二生物墨水的至少一个喷嘴打印头。

这种组合使得可以提高生产率。

喷嘴打印头是指包括使第二生物墨水通过的孔口的打印头。因此，喷嘴打印头可以是喷墨型打印头、微阀打印头、生物挤出型打印头。

每个激光型打印头优选与图3中描述的打印头相同。然而，本发明不限于这种类型的激光打印头。可以考虑使用如图1和图2所示的激光型打印头或其他打印头。

不再进一步描述喷嘴打印头，因为它们优选与现有技术相同。

在包含由细胞外材料分离的独立细胞的生物组织的情况下，优选通过喷嘴打印头沉积细胞外材料，并且优选通过激光型打印头沉积细胞。

由于细胞外材料对剪切效应较不敏感，因此可以使用喷嘴打印头进行沉积。由于用于喷嘴打印头的生物墨盒的体积远大于用于激光型打印头的通过供体基板70支撑的墨水的体积(40μm量级)，可以以高流速沉积细胞外基质的材料。尽管喷嘴打印头能够以高流速沉积墨水，但是由于每个用于激光型打印头的供体基板都支持非常小的墨水体积，所以需要频繁地改变这些，相对于喷嘴打印头，其倾向于增加移除时间。

根据另一个特征，激光型打印头和喷嘴打印头被集成在同一台机器中并在相同的坐标系中移动。这种构造使得可以简化各种打印头的相对定位，以提高移除精度并保证打印元件的完整性。

包括供体基板储存室的打印装置

图8至11显示根据本发明的一个实施方式的打印装置。

打印装置100包括支撑激光型打印头102和多个喷墨型打印头104、104'、104"的底盘。底盘100包括坐标系X、Y、Z，其中Z轴在垂直方向上定向，并且X、Y平面对应于水平面。

打印头102、104、104'、104"相对于底盘100是固定的，并且被定位成使液滴垂直向上发射。

打印头102、104、104'、104"在平行于Y轴的第一方向上偏移。在一个实施方式中，喷墨型打印头104、104'、104"连接在一起。激光型打印头102与喷墨型打印头104、104'、104"间隔开。

打印装置还包括移动底盘106，用于引导和使移动底盘106相对于底盘100在与Y、Y、Z轴平行的三个方向上移动的系统，以及用于控制移动底盘106的位移的控制系统。引导和位移系统及控制系统被选择为实现关于移动底盘106相对于底盘的运动的微米精度。

如图10所示，移动底盘106包括用于可释放地附接至少一个接收基板58的框架108。当固定到移动底盘时，以微米精度控制接收基板58的移动。

激光型打印头102包括相对于底盘固定的中空圆筒形主体110，其包含光学系统的一部分，并且其中定位有管状部分112，管状部分112包括向水平面开口的上端114。这些元件被配置成使由光学系统引导的激光束扫描上端114的部分。

各供体基板70有位于基座116上的盘形状。

根据图11中示出的一个实施方式，各基座116具有管形状，其在其上边缘处包括直径与供体基板70的直径相同且高度足以保持供体基板70的凹陷118。因此，该凹陷118使得可以相对于支撑它的基座定位供体基板70。

上端114和基座116具有彼此配合的形状，使得基座116相对于上端114固定在给定的位置，并因此相对于底盘的X、Y、Z系得到固定。根据一个实施方式，基座116包括外凸缘120，该外凸缘120抵靠上端114并且使得可以沿Z轴定位基座。在凸缘120下方，基座116包括与设置在管状部分112内的锥形部分配合的截头圆锥形表面122。这些形状使得可以使基座116相对于管状部分112居中并将其定位在XY平面中。磁性材料可优选用于改进基座116相对于管状部分112的定位。

有利的是，打印装置124包括被配置为存储至少一个基座116的室。室124包括用于输入和输出存储的基座116的至少一个开口125。根据一个实施方式，室124具有平行六面体形状。

室124优选具有适于存储几个基座的尺寸。因此，打印装置可以以相同的激光类打印头102连续地打印几种生物墨水。

基座116被储存在基板126上，基板126包括凹陷128，即对于每个基座116有一个凹陷。基板126具有细长形状，并且在其整个长度上包括U形切口128。根据如图9所示的第一替代方案，基板126的长度沿着Y轴定向。

根据第二个优选实施方式，基板126的长度沿X轴定向，并且切口128朝向打印头打开。

有利的是，室124在面向打印头的第一侧包括第一开口125，第一开口125能够使基座116出来，并且在另一侧上包括用于引入基座116的第二开口125'。

根据一个实施方式，室124包括用于定位基板126的引导系统(例如轨道)，其中基板126在下部中包括其横截面与轨道的横截面相啮合的凹槽。该轨道在第二开口125'处打开。其优选沿着X轴定向。

室124包括用于在室内保持适于生物墨水的气氛、特别是对于温度和/或湿度的封闭装置。特别是，这种封闭装置设置在各开口125、125'处。它们可以采取屏障或气幕的形式。

除了室之外，打印装置包括可移动夹具130，其用于移动室124和激光器型打印头102之间的基座。在第一替代方案中，可移动夹具130固定到独立于移动底盘106的移动托架132上，该移动底盘106被配置成沿X、Y、Z方向移动。

根据另一替代方案，可移动夹具130被固定在移动底盘106上。

根据一个实施方式，打印装置包括拍摄装置(未示出)，其视线垂直于垂直方向并且面向供体基板的上表面。该装置可用于校准激光型打印头102的激光束的能量。

使用生物打印产生生物组织的方法：

所述方法的第一步是产生待打印的生物组织的三维数字示像。

在图12中，所述示像的一部分显示(140)为立方体，其具有位于第二体积区域144内部的第一体积区域142，第二体积区域144本身位于第三体积区域146内。为了描述的目的，示像140被大大简化。

各体积区域142、144、146颜色或纹理不同，各颜色或纹理对应于以下(不限于)的一组特征：材料、制造装置、轨迹、...各颜色或纹理优选对应于生物墨水。

所有体积区域142、144和146是封闭的。

有利的是，该示像包括多个小的基元体积，取决于它们属于的体积区域，其具有不同的颜色或纹理。根据一个实施方式，示像140源自PLY类型的计算机文件。

本方法的第二步是将示像140切成沿轴线Z的一系列的堆叠层。在图13中，已经分离了示像140的层148。

当根据体积区域的变化对示像140进行切片时，各层包括对应于新区域的边缘。

如图13所示，层148包括对应于第一体积区域142的第一区域142'，对应于第二体积区域144的第二区域144'和对应于第三体积区域146的第三区域146'。对于每个层，根据体积区域142、144、146的颜色或纹理而将区域142'、144'、146'着色或纹理化。

各层具有根据打印液滴的高度确定的厚度ε。

如果该层仅包含一种待打印的材料，则该层的厚度基本上等于液滴的高度。

当该层包含数种待打印的材料时，在第一种替代方案中，该层的厚度等于与每种材料相关的液滴高度的最小公倍数。这种替代方案的优点在于使待打印物体的整个高度上的任何位移最小化并实现快速打印。

根据第二种替代方案，该层的厚度等于与每种材料相关联的液滴的高度的最大公约数。该替代方案具有增加分辨率和层数的优点。

例如，如果通过激光生物打印法打印第一材料，打印液滴的高度为10μm量级。如果使用微阀生物打印法打印第二材料，打印液滴的高度为100μm量级。在第一种替代方案中，所述层的厚度为100μm量级。在第二种替代方案中，所述层的厚度为10μm量级。各层优选包括根据它们所属的区域具有不同颜色的多个小的基元多边形，例如三角形。

因此，待打印的对象对应于一组层，每一层包括一组多边形，每个多边形具有相关联的颜色或纹理。

本方法的第三步在于根据着色或纹理化区域142'、144'、146'和每个液滴的预期体积，为各层确定各生物墨水的待打印液滴的位置。出于此目的，如图14所示，各层的各区域142'、144'、146'填充有椭圆体142"、144"、146"，其尺寸取决于所述区域中待打印的生物墨水的液滴的尺寸。

对于每个区域，椭圆体具有相同的尺寸。所有椭圆体均具有平行焦轴。

椭圆形状使得可以在两个方向上(平行于焦轴的第一方向和垂直于第一方向的第二方向)调节液滴之间的距离。

每个椭圆体的中心对应于液滴中心的位置。

椭圆体按照大小的降序逐个区域定位，因此首先布置区域146'中的较大的椭圆体，最后布置区域142'中的较小的椭圆体。

在区域改变时，优选根据两个标准优化定位：

--椭圆体中具有正确颜色或纹理的基元多边形的最大比例例如为75％量级，

--椭圆体中具有错误颜色或纹理的基元多边形的最小比例例如为5％量级。

可以容忍椭圆体重叠。

本方法的第四步是使打印了生物墨水液滴的沉积表面56的运动与各种打印头同步。

对于生物激光打印，激光聚焦区域是每个激光打印椭圆的中心，每个椭圆是激光脉冲的对象。在这种情况下，沉积表面是固定的，激光扫描整个沉积表面。对于大于供体基板的沉积表面，也可以与激光扫描同步地移动基板(其中沉积表面是倾斜的)。

对于喷嘴生物打印，每个椭圆的中心对应于液滴在沉积表面56上的假设冲击点。在这种情况下，打印喷嘴是固定的，基板移动。然而，打印喷嘴可以是可移动的。

应用：

根据本发明的生物打印可用于生产：

用于再生医学的可植入组织，

由患者细胞制成的个体化组织，使得可以选择体外治疗并开发定制的治疗方案，

再现健康人体组织或被病理学影响的组织的生理学的预测模型，以便预测性地测试分子、成分和候选药物的功效或毒性。

作为非限制性实例，生物组织是骨组织。

尽管描述为应用于生物墨水，但是本发明不限于此应用。因此，根据本发明的方法和装置可用于打印作为溶液或悬浮液的任何液体墨水。其他合适的墨水包括但不限于电子涂层、材料或制表中使用的墨水。

墨水可以例如但不限于由以下组成：

-贵金属(特别是金、银、铂、铑和钯)或半贵金属(钛、锆、铜)，

-功能性合金，

-有机材料，

-溶胶-凝胶系统，

-陶瓷或微复合材料或纳米复合材料。

这些不同的材料使得可以生产各种类型的涂料：

防腐涂料，

具有高化学耐性的涂料，

-生物功能性(抗菌、抗微生物、生物相容性)涂料，

-用于食品接触的涂料，

-改变表面能的涂料，

-防粘涂料，

-电技术(绝缘、抗静电或导电)涂料

-耐磨涂料

-改变光学性能(抗反射、光催化、IR/UV屏蔽)的涂料，

-影响触觉感的涂料

-降低摩擦系数的涂料，

使得可以提高高温下耐久性的涂料。

Claims (15)

1.一种使用至少一种墨水的打印方法，所述方法包括：聚焦激光束(66)以在墨水膜(74)中产生空腔的步骤，从墨水膜(74)的自由表面(78)形成至少一个墨水液滴(82)的步骤，和将所述液滴(82)沉积到位于距离膜(74)给定距离(L)处的接收基板(58)的沉积表面(56)上的步骤，所述方法的特征在于，激光束(66)指向与重力(G)方向相反的方向，所述膜的自由表面(78)向上朝向位于墨水膜(74)上方的沉积表面(56)。

2.如权利要求1所述的打印方法，其特征在于，膜(74)的厚度小于500μm。

3.如权利要求1或2所述的打印方法，其特征在于，所述膜具有大于或等于10的膜(74)的自由表面尺寸与膜厚度(74)的比。

4.如权利要求1～3中任一项所述的打印方法，其特征在于，对墨水膜(74)与沉积表面(56)之间的距离(L)和/或光束激光(66)能量进行调节，从而使得当液滴(82)接触沉积表面(56)时液滴的动能几乎等于零。

5.如权利要求1～4中任一项所述的打印方法，其特征在于，墨水膜(74)与沉积表面(56)之间的距离(L)等于1mm～2mm，并且调节光束激光(66)能量，从而使得当液滴(82)接触沉积表面(56)时液滴的动能几乎等于零。

6.如前述权利要求中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括激光束能量的初步校准阶段，该校准阶段包括：在激光束(66)冲击之后设定时间(Tl)测量墨水膜(74)的自由表面(78)的变形(86)的夹角(θ)的步骤，和根据夹角(θ)的测量值调节激光束(66)能量的步骤。

7.如权利要求6所述的打印方法，其特征在于，调节激光束能量，从而使夹角(θ)小于或等于105°。

8.如权利要求6或7所述的打印方法，其特征在于，调节激光束能量，从而使夹角(θ)大于或等于第二阈值，以在形成的液滴到达沉积表面(56)时获得几乎等于零的动能。

9.如权利要求8所述的打印方法，其特征在于，第二阈值取决于沉积表面(56)与墨水膜(74)的自由表面(78)之间的距离(L)。

10.如权利要求9所述的打印方法，其特征在于，对于1mm量级的距离(L)，第二阈值等于大约80°。

11.如权利要求6～10中任一项所述的打印方法，其特征在于，夹角(θ)的测量时间是自激光束(66)冲击起的4μs～5μs的量级。

12.如前述权利要求中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述墨水膜的厚度大于20μm。

13.如前述权利要求中任一项所述的打印方法，其特征在于，对于具有高浓度的待打印元件(62)的生物墨水，所述墨水膜的厚度为40μm～60μm。

14.如权利要求1～12中任一项所述的打印方法，其特征在于，对于具有低浓度的待打印元件(62)的生物墨水，生物墨水膜(74)的厚度为1.5D～2D，D是具有近似球形形状的待打印元件(62)的直径，或待打印元件(62)所内接的球形的直径。

15.一种用于实施前述权利要求中任一项所述的打印方法的打印装置，所述打印装置包含：

--至少一个被配置为发射激光束(66)的脉冲激光源(64)，

--用于聚焦和定向所述激光束(66)的光学系统(68)，

--至少一个供体基板(70)，其上至少附有具有自由表面(78)的墨水膜(74)，和

--至少一个包含沉积表面(56)的接收基板(58)，沉积表面(56)距离膜(74)给定距离(L)设置，

其特征在于，激光束(66)指向与重力(G)相反的方向，并且所述膜的自由表面(78)向上朝向位于墨水膜上方的沉积表面(56)。