CN111093994B - 通过断层反投影进行三维制造的方法和装置 - Google Patents

通过断层反投影进行三维制造的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于制备三维物体的方法，其包括计算反投影的序列，所述反投影的序列描述待从所述物体的不同取向角度形成的三维物体，使用所述反投影限定光图案的序列，以及用每个所述光图案以各自相应的取向角度并根据限定的序列照射光响应材料，所述光响应材料能够在光照射时改变其材料相，从而在光响应介质内形成变化的三维分布，在物理上再现所述三维物体，从而创建所述三维物体。

Description

通过断层反投影进行三维制造的方法和装置
技术领域
本发明涉及由光响应材料制造三维物体的方法和设备（增材制造）。具体地，本发明涉及但不限于制造系统，其中物体通过断层反投影生成。
背景技术
在传统的增材制造中，通过逐点扫描物体体积或以逐层方式制造三维物体。一个例子是立体光刻（SLA）（参见例如第5,344,298号美国专利），其中通过在光照射下固化可光固化抗蚀剂一次一层地形成物体。物体的连续层可以例如通过逐点扫描激光束来限定，如第5,344,29号美国专利所建议的，或者通过数字光处理（DLP）技术来限定，如第6,500,378号美国专利所述的。
在这些方法中，物体通常沿优先生长方向构建，这可能导致物体的各向异性机械性质。在DLP中，当使用镜矩阵来投影物体的横截面层时，投影像素之间的小区域保持未固化，导致固化层的平面和构建方向之间的各向异性（M. Μοnzόn, Z. Ortega, A. Hernández, R. Paz, and F. Ortega, "Anisotropy of photopolymer parts made bydigital light processing," Materials, vol. 10, no. 1, pp. 64-, Jan. 2017）。此外，在激光点选择性扫描和固化层的SLA方法中，部件的构建取向对打印的物体的机械性质有显著影响（R. Quintana, J.- W. Choi, K. Puebla, and R. Wicker, "Effects ofbuild orientation on tensile strength for stereolithography-manufactured ASTMD-638 type i specimens," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 46, no. 1, pp. 201-215, Jan. 2010）。因此，可能需要对制造的物体进行后固化，以确保不同层之间和不同层内部的各向同性共价键合。
此外，由于它们的顺序逐层处理，SLA遭受打印速度缓慢的问题。一旦一个层被照射和固化，根据构建方向，一个新的未固化材料层必须提供在固体层之上或之下。在现有技术中，这是通过机械地重新涂覆正在制造的部件来实现的（第7,892,474号美国专利和第7,438,846号美国专利），这除了降低打印速度之外，还可能使端部变形。
最近，已开发了一种称为连续液体相间打印（CLIP）的新方法（第9,360,757号美国专利）来避免这种重新涂覆操作。CLIP依赖于在聚合物池（polymer pool）的光学透明窗口和构建部件之间形成持久的抑制氧的聚合物液体层。构建部件的向上运动导致补充持久的液体聚合物层的吸力。尽管使用CLIP实现了更快、更连续地制备部件，但它仍然需要对物体的机械驱动和切片，因为一次只固化一薄层构建区域。此外，在CLIP中，液体聚合物的动态粘度限制了打印速度，因为它造成构建部件下方的持久液体层的补充时间。
因此，需要一种三维物体的制造方法，其不需要可能扭曲或污染物体的构建区域的任何逐步的机械驱动；并且没有任何可能减慢制造过程的光响应材料的运动。此外，需要一种制造过程，其快速且各向同性地制备物体，并且不以可能降低端部的机械性质的逐层方式操作。
发明内容
发明概述
第一方面，本发明提供了一种用于制备三维物体的方法，其包括：
a. 计算反投影的序列，所述反投影的序列描述待从所述物体的不同取向角度形成的三维物体，
b. 使用所述反投影限定光图案的序列，以及
c. 用每个所述光图案以各自相应的取向角度并根据限定的序列照射光响应材料，所述光响应材料能够在光照射时改变其材料相，从而在光响应介质内形成变化的三维分布，在物理上再现所述三维物体，从而创建所述三维物体。
在一个优选的实施方案中，所述反投影是使用以下列表中的任何一种来计算的：
Radon变换，之后是断层重建滤波；
扇束算法，之后是断层重建滤波；
锥形束算法，之后是断层重建滤波；
迭代重建技术；
代数重建技术；或者
衍射断层算法。
在进一步优选的实施方案中，所述方法包括从以下列表中提供所述光响应材料：
单体；
预聚物；
一种或多种光引发剂，其与所述光或另一光源相互作用以选择性地改变所述光响应材料的相；
扩链剂；
反应性稀释剂；
填充物；
颜料或染料；
或其组合。
在进一步优选的实施方案中，在通过所述光图案进行所述照射之前，所述光响应材料的相是：
液体；
固体；
凝胶。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料具有在25℃的温度下1000至50000厘泊的动态粘度。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料包含一定浓度的所述光引发剂，使得所述光图案强度的至多90%被所述光图案传播通过的所述光响应材料的所述体积的最大厚度吸收。
在进一步优选的实施方案中，所述方法包括进一步的用于制备多材料三维物体的步骤，其包括：
a. 移除所述光响应材料的未固化部分，并将所述三维物体浸入另一种光响应材料中，以及
b. 重复计算、照射和移除的步骤，直到制备出所述多材料三维物体。
第二方面，本发明提供了一种用于由光响应材料制备三维物体的系统，所述系统包括：
第一投影单元，其能够发射受控的光空间图案；
用于计算反投影的序列的装置，所述反投影的序列描述待从所述物体的不同取向角度形成的三维物体；所述反投影用于限定所述受控的光图案；
对所述光图案光学透明的容器，所述容器旨在容纳一定体积的光响应材料，并且所述容器和要用的光响应材料限定了构建体积；
由此第一投影单元被布置在系统中以用所述受控的光图案照射所述构建体积；和
与所述第一投影单元可操作地关联的方向改变装置，用于通过在第一投影单元的照射区域内旋转构建体积，或者通过相对于构建体积旋转第一投影单元，或者这两种旋转的组合可控地改变所述光图案相对于所述构建体积的入射方向，以通过用来自对应于不同取向角度的方向的受控的光图案进行照射来执行计算的反投影序列，从而形成光响应介质变化的三维分布，并创建三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述第一投影单元包括光源，以及空间光调制器、数字微镜设备、检流计扫描仪或声光偏转器中的至少一种。
在进一步优选的实施方案中，所述光源包括列表中的任何一种，所述列表包括激光器、多个激光器的组合或LED。
在进一步优选的实施方案中，所述第一投影单元包括LED阵列。
在进一步优选的实施方案中，所述系统另外包括控制器，所述控制器与所述构建体积和所述第一投影单元可操作地关联，所述控制器围绕旋转轴旋转所述构建体积，同时以光图案序列同步照射所述构建体积，直到形成三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述系统另外包括光响应材料，所述光响应材料包括以下列表中的任何一种：
单体；
预聚物；
一种或多种光引发剂，其与所述光或另一光源相互作用以选择性地改变所述光响应材料的相；
扩链剂；
反应性稀释剂；
填充物；
颜料或染料；
其组合。
在进一步优选的实施方案中，在通过所述光图案进行所述照射之前，所述光响应材料的相是以下列表中的任何一种，所述列表包括：
液体；
固体；
凝胶。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料具有在25℃的温度下1000至50000厘泊的动态粘度。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料包含一定浓度的所述光引发剂，使得所述光图案强度的至多90%被所述光图案传播通过的所述光响应材料的所述体积的最大厚度吸收。
在进一步优选的实施方案中，所述第一投影单元的取向使得照射方向平行于构建体积的旋转平面。
在进一步优选的实施方案中，除了所述第一投影单元之外，所述装置包括能够产生第二光波长的光图案的第二投影单元。
在进一步优选的实施方案中，第一投影单元和第二投影单元的照射方向平行于构建体积的旋转平面。
在进一步优选的实施方案中，第一投影单元和第二投影单元中的任何一个的照射方向平行于构建体积的旋转平面，而其它投影单元的照射方向垂直于构建体积的旋转平面。
在进一步优选的实施方案中，所述系统被进一步配置成使得以第一波长的第一空间光图案的序列照射所述构建体积，并且同时以第二波长的第二空间光图案的序列照射所述构建体积，直到形成三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料包括光抑制剂，其与所述第二波长的光相互作用，以选择性地阻碍第一波长的光改变所述光响应材料的相的能力。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料包含两阶段光引发剂，使得所述光响应材料在用所述第一波长的光和第二波长的光进行局部的同时或连续照射时被局部改变，但如果仅用一种波长的光进行局部照射，则不改变。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料接种有细胞。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料负载有固体颗粒。
在进一步优选的实施方案中，所述固体颗粒包括以下列表中的任何一种：
陶瓷颗粒，
金属颗粒，
聚合物颗粒，
其任意组合。
在进一步优选的实施方案中，所述空间光图案是
点状；或者
一维的（线性）；或者
二维的（平面的）；或者
三维的（体积的或“全息的”）。
在进一步优选的实施方案中，所述系统进一步包括以下列表中的任何一种：
温度控制装置，其用于控制所述光响应材料的温度；
湿度控制装置，其用于控制所述光响应材料的湿度；
氧浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的氧浓度；
二氧化碳浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的二氧化碳浓度；
氮浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的氮浓度；
其任意组合。
在进一步优选的实施方案中，控制器与所述构建体积可操作地关联，用于相对于投影单元或多个投影单元的照射区域垂直移动构建体积。
在进一步优选的实施方案中，针对光响应材料的沉积效应来校正所述光图案。
在进一步优选的实施方案中，针对构建体积相对于光图案的入射方向的未对准效应来校正所述光图案。
在进一步优选的实施方案中，针对所述光响应材料内的光吸收效应来校正所述光图案。
在进一步优选的实施方案中，所述系统被进一步配置成使得在三维物体形成之后：
所述三维物体被保持在构建体积中，同时剩余的光响应介质被从构建体积移除；
将不同于所述第一光响应介质的第二光响应介质填充到所述光学透明容器中；和
用任何前述权利要求的方法由第二光响应介质形成第二三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述系统进一步被配置成使得在用所述光图案照射期间，以规则的间隔记录所述光响应介质的变化，并且这些记录被用作校正随后的光图案的反馈，以便以改善的精度制备所述三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应介质的变化的记录是通过相衬成像、微分干涉相差或全息术来完成的。
在进一步优选的实施方案中，含有所述光响应材料的所述容器被进一步配置成自动注射和移除所述光响应材料。
在进一步优选的实施方案中，提供了一种装置，所述装置用于在制备出所述形成的三维物体之后，从所述构建体积提取所述形成的三维物体。
在进一步优选的实施方案中，所述容器被消毒，以便不污染所述光响应材料和所述形成的三维物体。
在进一步优选的实施方案中，在所述生物细胞周围形成三维物体之前，所述光响应材料装载有生物细胞。
在进一步优选的实施方案中，所述生物细胞是未分化的干细胞。
在进一步优选的实施方案中，所述三维物体是具有用于细胞生长的支撑生物材料的水凝胶。
在进一步优选的实施方案中，在所述三维物体形成后注射生物细胞。
在进一步优选的实施方案中，所述生物细胞是未分化的干细胞。
第三方面，本发明提供了一种形成的生物器官，所述生物器官是由于在所述形成的三维物体中所述生物细胞的细胞生长的生物过程而创建的，所述形成的三维物体是按照其中在所述生物细胞周围形成三维物体之前所述光响应材料装载有生物细胞的系统或按照其中在所述三维物体形成之后注射生物细胞的系统制备的。
在进一步优选的实施方案中，所述形成的三维物体用序列号标识。
在进一步优选的实施方案中，所述形成的三维物体具有各向异性的机械性质。
第四方面，本发明提供了一种用于再现三维物体的方法，其包括以下步骤
获得物体的三维扫描，以及
根据用于制备三维物体的方法形成三维物体的副本。
附图简述
通过优选的实施方案的详细描述并参考附图，将更好地理解本发明，其中
图1A是本发明的装置的一个示例实施方案的透视图；
图1B是图1A的装置的俯视图；
图2A-2B是以静态配置制造的示意图；
图3A-3J是以旋转配置制造的示意图；
图4是使用两个不同投影单元的装置的供选择的实施方案的透视图；
图5是使用两个不同投影单元的装置的供选择的实施方案的透视图，其中所述投影单元之一沿着旋转平台的旋转轴安装；
图6是装置的供选择的实施方案的透视图，其以另外的竖直平移平台为特征，该平台可以移动构建体积通过投影单元的照射区域；
图7是装置的供选择的实施方案的透视图，其中投影单元安装在旋转平台上，而构建体积保持固定；
图8是装置的供选择的实施方案的透视图，其中可以控制构建体积的气氛和温度。
图9是示出了说明基本构思的流程图，所述基本构思用于实施本发明的通过断层反投影进行三维制造的方法；
图10-15是使用本发明的方法和系统制造的物体的照片；
图16是供选择的实施方案的透视图，其中成像系统记录光响应介质的变化，以便为光图案的产生提供反馈；
图17是供选择的实施方案的透视图，其中照相机记录光响应介质的变化，并且二次光源用于照射光响应介质；
图18是在制造之后从光响应介质提取制造的三维物体的系统的透视图；
图19是使用本发明的方法和装置制造的三维物体的照片，其中剩余的光响应材料来自第一三维物体的制造；
图20是基于小鼠肺动脉的计算机断层扫描的三维物体的照片，其中该物体是使用本发明的方法和装置制造的；
图21是对用于制造图20的三维物体的光响应材料进行拉伸测量的结果；和
图22是装置的供选择的实施方案的透视图，其中投影单元是固定的，并且在构建体积保持固定的同时照射反射元件系统。
优选的实施方案的详述
在这部分，我们参考附图更详细地公开我们的发明。该部分旨在说明本发明的具体实施方案，并且不应被解释为对本发明的限制。在一些情况下，术语“例如”被用作提醒，即可能的实施方案是以示例方式，而不是以限制的方式给出的。
本发明提供了通过断层反投影进行三维物体制造的方法和装置。简而言之，概括地说，本发明包括通过沿着不同角度的一系列投影表示待形成的三维物体，类似于计算机断层成像中的反投影，并且用由这些投影计算的光图案以这些角度照射光响应材料，以便在光响应材料内在物理上制造物体。光响应材料是一种能够响应光照射而改变其材料相的材料。当光照射时，光响应材料可能经历的变化包括但不限于固化、凝胶化、液化或溶解。本文描述的方法提供了一种在相对短的时间内（例如1s、10s或30s）改变整个体积的光响应材料的装置，从而实现所制造的物体的快速制备和更具各向同性的机械性质。根据用于该过程的具体光响应材料，所制造的物体可以具有包括但不限于柔软或弹性的性质。
在本发明的一个优选的实施方案中，构建区域被设置成连续地旋转运动，同时以空间调制的光图案的序列（如上所述产生的）照射以形成物体。沿着与构建区域的旋转轴正交的光轴照射空间调制的光图案。此外，在本发明的优选的实施方案中，空间调制的光图案是二维的，并且以构建区域的旋转轴为中心。在本发明的至少一个实施方案中，以空间调制的光图案的序列对构建区域的照射与构建区域的旋转运动同步。
为了照射整个构建区域，可以将光响应材料中光固化辐射的光吸收长度调整为比构建区域宽度更长。由于构建区域的连续旋转运动和光致抗蚀剂中光的最佳吸收长度，构建区域的局部体积受到一系列不同光强度的照射。因此，如果局部体积是待形成的物体的一部分，则计算照射局部体积的空间调制的光图案，使得局部体积中吸收的总有效剂量高于材料的相变阈值。相反，如果局部体积不是待形成的物体的一部分，则计算照射局部体积的空间调制的光图案，使得局部剂量低于材料的相变阈值。在本发明的一个优选的实施方案中，物体在构建区域旋转一圈后形成。因此，材料的局部体积的相从多个照射角度改变，这赋予物体各向同性的机械性质。
本发明的方法包括在构建区域的旋转运动期间以不同角度显示的空间调制的光图案的计算。
在本发明的至少一个实施方案中，构建区域是固定的，并且空间光调制器围绕它旋转。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料对两种不同的辐射波长敏感。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料的相变通过用第一辐射波长照射来引发，并通过用第二辐射波长照射来抑制。在进一步的实施方案中，一种材料通过第一波长的相变与通过第二辐射波长产生的相变无关，从而产生具有不同物理性质、机械性质或化学性质的两种材料。
不同实施方案中旋转部件的旋转速度可以是但不限于每秒一转。
在本发明的至少一个实施方案中，构建区域的温度受到控制。
在本发明的至少一个实施方案中，构建区域的湿度受到控制。
在本发明的至少一个实施方案中，构建区域的气氛含量受到控制。气氛控制可以包括但不限于二氧化碳含量的控制、氧气含量的控制、氮气含量的控制或其任意组合的控制。
因此，本发明的一个特定方面是一种形成三维物体的方法。一般来说，给定上述要素，所述方法包括以下步骤：
（a）提供限定构建区域的光学透明容器；
（b）用光响应材料填充构建区域，所述材料与光学透明容器的壁接触；
（c）计算一个或多个辐射波长的一个或多个空间调制的光图案的序列；
（d）将构建区域或投影设备、空间光调制器设置成旋转运动；
（e）用一个或多个同步的空间调制的光图案同时照射构建区域，以选择性地改变光响应材料的相，从而形成物体；
（f）在制造多材料三维物体的情况下，从构建区域移除未固化的光反应性材料，用其他光反应性材料填充构建区域，并重复步骤（c）、（d）、（e）。
因此，本发明的方法具有在构建区域中没有机械元件的优点，这降低了有害材料污染构建区域的风险。此外，本发明是严格无创的，因为物体的形成是基于光吸收的。因此，在本发明的至少一个实施方案中，限定构建区域的光学透明容器是无菌的和一次性的，以便对制造的物体例如但不限于生物器官进行生物操作。
此外，物体体积的立即形成和没有机械驱动进入构建区域具有加快制造过程、降低端部变形的风险和赋予端部各向同性机械性质的优点。
1. 优选的实施方案
图1A和图1B示出了本发明的优选的实施方案。图1A是透视图，而图1B是俯视图。
投影单元10产生可控的光图案11，其被导向光响应材料12。光响应材料12被保持在容器13内，容器13对于光的波长是光学透明的。该容器13被固定在旋转平台14上，使得光响应材料12相对于光束11的取向可以在一个旋转方向或两个旋转方向上可控地连续地变化或增量式变化。随着光响应材料12旋转，由投影单元10产生的图案（图1A中未示出）被改变，使得光响应材料12的期望体积被照射。在图1B中，已经改变的光响应材料12的部分用黑点15表示。该实施方案的各个部件安装在支撑结构16上，该支撑结构16的具体设计并不重要，并且可以设想各种配置。
容器13和光响应介质12一起形成构建体积。容器13例如可以是由玻璃或塑料或任何透光材料制成的圆柱形小瓶。构建区域例如可以是1cm宽至15cm宽和1cm高至15cm高。
光响应材料12中光改变辐射的波长处的光吸收长度例如可以被调整为比构建体积宽度更长。
投影单元10是可以产生光空间图案的设备。投影单元10可以例如包括诸如LED阵列的直接可调制光源，或者它可以包括与空间光调制器组合的具有固定空间轮廓的光源（诸如激光器或LED）。空间光调制器可以由检流计扫描仪、液晶空间光调制器或数字微镜设备（DMD）组成。生成的光图案可以是零维的（点）、一维的（线）、二维的（图像）或三维的（全息图）。本领域技术人员将理解，投影单元10可以结合另外的光学元件，例如柱面透镜以校正由柱面容器引起的失真，或者中继透镜以在构建体积内部精确地投影光图案。
2. 方法背后的原理说明
在图2A和2B中，示意性地示出了改变光响应材料相对于投影单元的取向的原因。当光束20被引导到光响应材料22的静态容器21中时，光响应介质22受到影响的长度不能被精确控制。如图2A所示，光束20在容器21的整个长度上影响光响应材料22。这产生了3D打印物体，其在横向于光束20方向的平面中的二维轮廓可以被控制，但是其沿着光束20的传播方向的深度轮廓是不可控的，并且延伸到容器的整个深度。在该实施例中，得到的物体如图2B所示。
在图3A-3J中示出了本发明的基本原理。在图3A中，示出了光响应材料30及其容器31的一部分。容器31可以旋转（如箭头所示）。光束32被引导到容器31内部。因此，一定剂量的光沉积在光响应材料30内部。该剂量由图3B中的灰色阴影区域表示。光的投射在短时间后中断，使得光响应材料30还没有转换成它的供选择的形式。例如，如果光响应材料30是在辐射照射下聚合的光聚合物材料，则投影在远低于聚合阈值的照射剂量下停止。然后如图3C所示旋转样品。先前照射的体积现在已相对于照射方向改变了方向，如图3D所示。然后从不同的方向照射光响应材料30，如图3E所示。这样做，有可能再次曝光某些体积的光响应材料（在图3E中用较深的阴影表示的），而样品的其他体积仅接收单次的低曝光剂量（图3E中较浅的阴影）。第二次曝光后，可以通过更多地旋转样品来重复该过程，如图3F和图3G所示，并从新的方向照射光响应材料，如图3H所示。来自所有不同方向的所有投影的累积决定了光响应材料的哪些部分接收到足够的照射以转换成供选择的形式，如图3I中的深色阴影区域所例示的，以及哪些部分曝光不足以进行转换，如图3I中的较浅的阴影区域所例示的。应当理解，这里解释的过程也可以用较小（smaller）的旋转步骤来完成，或者甚至用连续的旋转运动来完成。在显影光响应材料之后，可以从光响应材料31中提取结构，如图3J所示。通过在光响应材料30旋转的同时以适当的方式调制光束32，光剂量的受控分布被施加到光响应材料30。
虽然为了清楚起见，图3A至图3J仅示出了光响应材料30的一部分，但是应当理解，该过程可以同时对光响应材料30的几个层进行。照射剂量的分布可以在每一层中独立控制，从而实现三维结构的创建。
3. 光图案的计算
用于形成三维物体的光图案可以以数字方式计算，例如如下：在第一步中，沿着不同的投影角度计算物体的计算机设计的三维模型的密度线积分。这些投影是沿着与构建区域的旋转轴正交的轴，并且针对待形成的物体的一系列旋转角度进行的。在第二步中，然后对所获得的系列数字图案进行滤波，以均衡待固化的体积的剂量并锐化物体边缘。经过计算后，这些数字图案由第1节中描述的投影单元之一生成，并在构建体积的旋转运动过程中反向投影以形成物体。对于本领域技术人员来说，该计算方法可以被另外描述为采用待形成的物体的三维数字模型的Radon变换，用Ram-Lak滤波器对该变换进行滤波以补偿投影的径向模糊，最后将滤波后的图案反向投影到构建区域上以制备物体。应当理解，可以使用其他断层计算方法来生成光图案，例如，扇束算法之后是断层重建滤波、锥形束算法之后是断层重建滤波、卷积-反投影、迭代重建技术、代数重建技术或者具有Born或Rytov近似的衍射断层算法（参见例如A.C. Kak, M. Slaney, "Principles of Computerized Tomographic Imaging", IEEE Press, 1988）。
此外，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对光图案的产生施加另外的约束，例如正性。
除了限定三维物体之外，空间调制的光图案的序列可以被校正以解决各种杂散效应，例如固化过程中光响应材料的沉积、构建体积与照射轴的偏心和未对准、或者光响应材料内部的光吸收。
4. 光响应材料的组成和用途
本发明中描述的方法和设备使用光响应材料来形成三维物体。在本发明的优选的实施方案中，光响应材料包括但不限于预聚物、与光相互作用以改变光响应材料的材料相的光引发剂、任选的用于赋予材料弹性的扩链剂、任选的用于降低光响应材料的粘度的反应性稀释剂、任选的吸收来自投影单元的光的颜料或染料、任选的用于改变形成的三维物体的模量和强度的填料或这些组分的组合。在以光图案的序列照射之前，光响应材料的相可以是但不限于液体、凝胶或固体的相。
在进一步优选的实施方案中，所述光响应材料具有在25℃的温度下1000至50000厘泊的动态粘度。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料是接种有细胞或生物相关组分的生物相容性材料。事实上，工程化组织是医学和药学研究中日益重要的工具。通过将合适的干细胞、材料和生化组分组合起来，就有可能在体外生长出与其天然组织对应物非常相似的类器官。这些类器官随后可以作为研究疾病和筛选药物的模型。组织工程的核心挑战是如何为干细胞的生长提供正确的三维微环境。干细胞繁殖和分化的方式受到它们进化的外部条件的强烈影响。其中，细胞外基质的材料性质和几何形状是关键因素。使用本发明的方法和装置以及包含生物相关组分的光响应介质，可以创建为细胞生长成类器官或工程化组织提供期望环境的物体。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料负载有固体颗粒，例如陶瓷颗粒、金属颗粒、聚合物颗粒或其任意组合。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料任选地含有一种或多种染料或颜料，其吸收与投影单元的波长或多个波长不同的波长的光辐射。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料的组成使得形成的三维物体可以部分或全部导电。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料的组成使得所形成的三维物体的部分或全部在活体中可以是可生物吸收的。这种可生物吸收的光响应材料的示例是甲基丙烯酸酯化的聚(1,12-十二烷柠檬酸酯)和富马酸二乙酯与双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦的混合物（van Lith, R., Baker, E., Ware, H., Yang, J., Farsheed, A. C.,Sun, C. & Ameer, G. 3D-Printing Strong High-Resolution AntioxidantBioresorbable Vascular Stents. Adv. Mater. Technol. 1, 1600138 (2016)）。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料是这样的，其可用于形成三维物体，该三维物体可通过应用例如温度变化、三维物体酸度变化、化学处理或其组合来溶解。这样的光响应材料可以有利地用于本发明，以形成用于铸造应用的牺牲模具。液体光响应材料的示例是由80%（v/v）三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、20%（v/v）聚(甲基丙烯酸甲酯)-15kDa和双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦组成的，该液体光响应材料的相可以首先改变以形成固体三维物体，其次其固相可以通过热处理进一步改变以形成液体。用该树脂的实例形成的固体三维物体可以通过将物体放置在加热到高于160℃的烘箱中持续一段时间而熔化，所述时间为但不限于15分钟至1小时。
在本发明的至少一个实施方案中，光响应材料可以包含对光谱的不同部分敏感的多种光引发剂。这样的光响应材料的组合物可以有利地用于本发明的方法和装置，以在几个步骤中形成三维物体。例如，为了形成三维物体，可以首先以第一辐射波长的光图案的序列照射光响应材料，包含在光响应材料中的至少一种光引发剂对所述第一辐射波长敏感。第二，所形成的三维物体可以用以另一波长发射的光源照射，包含在光响应材料中的另一种光引发剂对所述另一波长敏感。照射过程可以重复进行，采用的光源的发射波长适合光响应材料中包含的不同光引发剂。能够对几种波长的光反应的光响应材料的示例是80%（v/v）三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、20%（v/v）聚(甲基丙烯酸甲酯)-15kDa、作为对蓝光敏感的第一光引发剂的双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦和作为对紫外光敏感的第二光引发剂的1-羟基-环己基-苯基-酮的混合物。
5. 多个投影单元
图4示出了本发明装置的供选择的实施方案。框架40支撑可以可控旋转的旋转平台41。光响应材料42被保持在位于旋转平台41上的容器43内。框架还支撑两个分开的投影单元44和45。两个投影单元通过容器43向感光材料42施加独立可控的光图案46和47，容器43对照射光束是光学透明的。在该实施方案中，两个投影单元都被定向在平台41的旋转平面内。
图5示出了本发明的装置的供选择的实施方案。框架50支撑可旋转平台51，使得容器52和其中的光响应材料53可以可控地旋转。两个分开的投影单元54和55以这样的方式安装，即一个投影单元54定向在旋转平台51的旋转平面内，而另一个投影单元55定向成垂直于该旋转平面。每个投影单元可以产生独立可控的光图案56和57，这些图案被导向光响应材料53。
6. 多个波长
在供选择的实施方案中，部分光图案可以以第一波长的光显示，并且部分光图案可以以第二波长的光显示。因此，光响应材料可以被设计成对每个辐射波长具有不同的响应。
如图4和图5所示的实施方案中，每个波长的光图案可以由单独的投影单元产生。供选择地，可以设计单个投影单元，使得它能够在不同的波长下投影，产生如图1A和图1B所示的配置。例如，可以将不同波长的多个光源集成到单个投影单元中。
当使用对每个波长具有不同响应的光响应材料时，构建体积会以不同的方式受到每个波长的光图案的影响。例如，光响应材料的相改变可以通过用第一辐射波长照射来引发，并且通过用第二辐射波长照射来抑制。这种光响应介质的示例是光致变色螺硫吡喃和N-乙基马来酰亚胺共聚物的混合物（H. Vijayamohanan, E. F. Palermo, and C. K.Ullal, "A Spirothiopyran Based Reversibly Saturable Photoresist," Chemistry of Materials, p. 4754-4760, 2017）。简而言之，在用365nm的紫外线辐射照射时，混合物将通过迈克尔加成反应开始聚合。如果混合物同时用532nm的绿色辐射照射，聚合反应将被抑制。作为另一个示例，光响应材料可以被设计成仅通过两步引发过程经历改变：如果光反应混合物用两个特定的辐射波长局部地同时照射，材料的局部体积的相将开始改变；否则，如果仅用特定辐射波长之一照射局部体积，则局部体积的材料的相不改变。
因此，本发明包括对两种或更多种不同辐射波长敏感的光响应材料的照射过程，以便形成物体。然后，通过将构建体积设置成连续旋转运动，同时以多个空间调制的光图案的序列对其进行照射来进行物体的制造，每个光图案具有不同的辐射波长。空间调制的光图案的序列可以由相同的空间光调制器产生，并沿着相同的光轴投影通过构建体积，或者空间调制的光图案的序列可以由不同的空间光调制器产生，并沿着不同的光轴投影通过构建区域。
7. 扩展构建体积
图6示出了本发明的装置的供选择的实施方案。这里，可控旋转平台60安装在运动平台61上，该运动平台61可以沿竖直支撑件62可控平移，该竖直支撑件62本身固定至框架63。这使得容器64的不同部分和其中的光响应材料65暴露于来自投影单元67的照射图案66，投影单元67也固定到框架63。该实施方案说明了如何将可寻址光响应材料的体积扩展到投影单元的照射区域界限之外。
8. 固定的构建体积
图7示出了本发明的装置的供选择的实施方案。这里，光响应材料70及其容器71被放置在固定连接到框架73的固定支撑件72上。在该实施方案中，投影单元74连接在可控旋转平台75上。该实施方案示出了如何在没有构建体积运动的情况下应用本发明的方法。
9. 气氛和温度控制
图8示出了本发明的装置的供选择的实施方案。投影单元80和可控旋转平台81由框架82支撑。投影单元在光响应材料84及其容器85的方向上发射可控光束83。在该实施方案中，该设备包括用于调节光响应材料84的气氛和温度的装置86。用于调节气氛和温度的装置可以同时和独立地用于加热或冷却光响应材料，或者增加或减少光响应材料的湿度，或者改变光响应材料中气氛气体的相对压力。这样的对构建体积的气氛含量和温度的控制可能影响其物理性质，如粘度，及其化学性质，如光响应介质的转化率，及其作为生物基质的可行性（viability）。
10. 制造过程
图9是示出了通过断层反投影进行物体的三维制造的过程的流程图。该过程包括准备待制造的物体的三维（3D）模型（901）。例如，可以加载包含任何合适的计算机辅助设计（CAD）格式，如STL或STEP的3D模型的计算机文件。接下来，在3D网格上计算物体的空间分布（902），这一步骤有时被称为“体素化”。在下一步骤中，沿着各个方向计算一组空间分布的断层投影（903）。该步骤可以用技术术语描述为对代表物体的分布的3D网格的每个切片进行Radon变换。这些断层投影然后被滤波（904），使得如果它们将被投影回到空的3D网格上，所有滤波的投影的累积和将再现物体的期望空间分布。这个过程被称为Radon反演。该滤波器也称为“滤波反投影公式”、“Ram-Lak滤波器”或“ramp滤波器”。作为步骤903和904的替代，可以使用任何其他计算方法来获得滤波的断层投影的等效物（905）。在本发明中，在“光图案的计算”段落下描述了供选择的算法的示例。接下来，基于滤波的投影计算一组光图案（906）。该步骤可以包括，例如，舍弃滤波的投影的负值，将滤波的投影转换成8位数字格式，以便它可以由投影单元显示，或者如果光响应材料例如是正性光致抗蚀剂，则将投影转换成负性图案。在下一步骤中，应当在将要制造物体的地方提供一定体积的光响应材料（907）。随后，用每个光图案以其相应的入射角照射光响应材料（908）。这导致光响应介质内的变化分布，其再现如步骤902中计算的物体的分布。此后，可以取回制造的物体（909）。
任选地，可以采取额外的步骤来制造多材料物体。为此，该过程还包括从形成的三维物体移除光响应介质的未改变部分（910）。然后，将形成的三维物体浸入另一种光响应材料中（911）。加载一个新的3D模型来描述这种新的光响应材料应该在哪里被改变（912）。最后，如上所述，在步骤902针对新材料继续该过程，直到步骤908。然后可以取回多材料物体（909），或者可以通过在步骤910继续该过程来再次添加新材料。
11. 实施例
前面描述的过程是通过创建各种物体来说明的。例如，弹簧如图10所示，牙齿模型如图11所示。前述物体是从由三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、樟脑醌和4-二甲基氨基苯甲酸乙酯组成的树脂开始打印的。打印时间为40秒，物体的以最大尺寸计的大小约为1cm。打印物体的进一步示例是图12中的汽车模型、图13中的用于助听器或耳机设备的耳模、图14中的以主体为中心的晶体系统的代表以及图15中的大教堂模型。图12至15中的物体是从由三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)和双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦组成的树脂开始打印的。打印时间为30秒，物体的以最大尺寸计的大小约为2cm。
12. 反馈
图16示出了本发明的装置的供选择的实施方案。框架1600支撑投影单元1601、旋转平台1602和含有光响应介质1604的容器1603。如前所述，用光图案1605的光束照射光响应介质，同时该光束与光响应介质的相对取向可控地旋转。在照射期间，成像系统1606记录光响应介质的变化。这些记录被用作反馈，以在照射期间调整随后的光图案，以便以更高的精度获得光响应介质内部的变化的期望分布。
用于记录光响应介质变化的成像方法可以是例如相衬成像、微分干涉相差成像、全息术或宽场成像。用于记录的光例如可以是与用于改变光响应介质的光相同的光、不同的光源或环境光。
图17示出了本发明的装置的供选择的实施方案。这里，框架1700支撑投影单元1701，投影单元1701将受控光图案1702的光束发送到含有光响应介质1704的容器1703中，容器1703的方向通过旋转台1705可控地改变。在该实施方案中，另外的光源1706提供单独的光束1707，该光束传输通过光响应介质1704。成像系统1709记录得到的信号1708。如在前面的实施方案中，这些记录用于在制造过程中动态调整光图案。
13. 自动化
本发明中描述的系统可以扩展为具有用于将光响应介质自动供给到光学透明容器中的装置，或者用于在制造三维物体之后从其中自动移除光响应介质的装置，或者两者。另一种可能性是通过光学透明容器提供光响应介质的连续流动（例如如K. S. Paulsen,D. Di Carlo, A. J. Chung, "Optofluidic fabrication for 3D- shaped particles",Nature Communications 6, article number 6976, 2015所述的）。
可以提供在制造之后从构建体积移除三维物体的装置，例如如图18所示，其中1801代表透明容器，1802是制备的三维物体，1803是剩余的光响应介质，1804是格栅篮，而1805是用于容易地将篮连同三维物体一起从透明容器中取出的把手。
14. 形成的三维物体的后处理
用本发明的方法和装置形成的三维物体可以被进一步处理，例如以清洁三维物体并降低它们的粘着性。这可以通过例如将三维物体浸入填充异丙醇的容器中，并对容器进行30s至10min时间的超声波处理来实现。
此外，未被光图案的序列改变的部分初始光响应材料可能粘附至或包含在用本发明的方法和装置形成的三维物体的孔和管中。从三维物体移除该未改变的光响应材料可以通过在相对离心力下离心三维物体来实现，所述相对离心力例如为25g至250g，持续时间例如为30秒至5分钟。
此外，用本发明的方法和装置形成的三维物体可以通过对物体施加热处理而得到强化。如果三维物体由基于聚合物的光响应材料制成，则强化热处理可以例如由以下两个步骤组成。首先，将形成的三维物体置于烘箱中，并加热至其玻璃化转变温度，持续时间为但不限于15分钟至2小时。第二，将烘箱恢复到室温（约20℃），并且使三维物体冷却。
15. 光响应材料的可重复使用性
在本发明的至少一个实施方案中，在所述构建体积内的三维物体的形成留下了所述光响应材料的未改变部分。光响应材料的未改变部分可以在三维物体形成后被收集，以用于一个或多个其他三维物体的形成。图19示出了使用本发明的方法和装置以及来自使用本发明的方法和装置制造第一三维物体剩余的光响应材料制造的三维物体。图19中的物体是用由三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)和双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦组成的光响应材料制造的。打印时间为30秒，而物体以最大尺寸计的大小约为2cm。
16. 弹性器官模型
在本发明的至少一个实施方案中，软器官模型可以基于对活人或动物的解剖结构的测量来制造。图20示出了使用本发明的方法和装置制造的三维物体的照片。该物体是基于用微型计算机断层成像对小鼠的肺动脉的测量。本发明实现在没有任何接触并且不需要支撑结构的情况下制造三维物体，它可以有利地用于制造中空结构或管，例如图20所示的小肺动脉模型。图20所示的三维物体的最大尺寸约为2.5厘米，并且包括内径小于600微米的管。用赋予该物体类似橡胶的拉伸性质的光响应性材料在50秒内进一步制造该物体。用于制造该物体的光响应材料由氨基甲酸酯-丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、双季戊四醇五丙烯酸酯和双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦组成。这种光响应材料的类似橡胶的拉伸性质用伸长计测量，结果如图21所示。
17. 具有各向异性机械性质的三维物体的制造
在本发明的供选择的实施方案中，可以修改待形成的物体的三维模型，使得得到的三维物体具有各向异性的机械性质。修改待形成的物体的三维模型的示例是局部降低模型的密度。
18. 固定的构建体积和固定的投影单元
图22示出了本发明的装置的供选择的实施方案，其中投影单元和含有响应介质的容器是固定的。这里，投影单元2200将受控的光图案2210的光束发送到第一反射元件2205上，其又被第二反射元件2215反射，第二反射元件2215以这样的方式设置，即照射含有光响应介质的容器2220。通过旋转所述第一反射元件2205来控制所述受控的光图案2210相对于容器2220的取向。

Claims (46)

1.一种用于制备三维物体的方法，其包括：
a. 计算反投影的序列，所述反投影的序列描述待从所述物体的不同取向角度形成的三维物体，
b. 使用所述反投影限定光图案的序列，以及
c. 用每个所述光图案以各自相应的取向角度并根据限定的序列照射光响应材料，所述光响应材料能够在光照射时改变其材料相，从而在光响应介质内形成变化的三维分布，在物理上再现所述三维物体，从而创建所述三维物体，其特征在于，在以所述光图案照射期间，以规则的间隔记录所述光响应介质的变化，并且这些记录被用作校正或调整随后的光图案的反馈，以便以改善的精度制备所述三维物体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反投影是使用以下列表中的任何一种来计算的：
Radon变换，之后是断层重建滤波；
扇束算法，之后是断层重建滤波；
锥形束算法，之后是断层重建滤波；
迭代重建技术；
代数重建技术；或者
衍射断层算法。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括提供如以下列表中任何一种的形式的所述光响应材料：
单体；
预聚物；
一种或多种光引发剂，其与所述光或另一光源相互作用以选择性地改变所述光响应材料的相；
扩链剂；
反应性稀释剂；
填充物；
颜料或染料；
其组合。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在通过所述光图案进行所述照射之前，所述光响应材料的相是以下列表中的任何一种：
液体；
固体；
凝胶。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述光响应材料具有在25℃的温度下1000至50000厘泊的动态粘度。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述光响应材料包含一定浓度的所述光引发剂，使得所述光图案强度的至多90%被所述光响应材料的体积的最大厚度吸收，所述光图案传播通过所述光响应材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其包括进一步的用于制备多材料三维物体的步骤，包括：
c. 移除所述光响应材料的未固化部分，并将所述三维物体浸入另一种光响应材料中，以及
d. 重复计算、照射和移除的步骤，直到制备出所述多材料三维物体。
8.一种用于由光响应材料制备三维物体的系统，所述系统包括：
第一投影单元，其能够发射受控的光图案；
用于计算反投影的序列的装置，所述反投影的序列描述待从所述物体的不同取向角度形成的三维物体；所述反投影用于限定所述受控的光图案；
对所述光图案光学透明的容器，所述容器旨在容纳一定体积的光响应材料，并且所述容器和要用的光响应材料限定了构建体积；
由此所述第一投影单元被布置在系统中以用所述受控的光图案照射所述构建体积；和
与所述第一投影单元可操作地关联的方向改变装置，用于通过在第一投影单元的照射区域内旋转构建体积，或者通过相对于构建体积旋转第一投影单元，或者这两种旋转的组合可控地改变所述光图案相对于所述构建体积的入射方向，和用于通过用来自对应于不同取向角度的方向的受控的光图案照射光响应介质来执行计算的反投影的序列，从而形成光响应介质的变化的三维分布，并创建三维物体，其特征在于，在以所述光图案照射期间，以规则的间隔记录所述光响应介质的变化，并且这些记录被用作校正或调整随后的光图案的反馈，以便以改善的精度制备所述三维物体。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一投影单元包括光源，以及空间光调制器、数字微镜设备、检流计扫描仪或声光偏转器中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述光源包括列表中的任何一种，所述列表包括激光器、多个激光器的组合或LED。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一投影单元包括LED阵列。
12.根据权利要求8所述的系统，其另外包括控制器，所述控制器与所述构建体积和所述第一投影单元可操作地关联，所述控制器围绕旋转轴旋转所述构建体积，同时以光图案的序列同步照射所述构建体积，直到形成所述三维物体。
13.根据权利要求8所述的系统，其另外包括光响应材料，所述光响应材料包括以下列表中的任何一种：
单体；
预聚物；
一种或多种光引发剂，其与所述光或另一光源相互作用以选择性地改变所述光响应材料的相；
扩链剂；
反应性稀释剂；
填充物；
颜料或染料；
其组合。
14.根据权利要求13所述的系统，其中通过所述光图案进行所述照射之前，所述光响应材料的相是以下的列表中的任何一种，所述列表包括：
液体；
固体；
凝胶。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述光响应材料具有在25℃的温度下1000至50000厘泊的动态粘度。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述光响应材料包含一定浓度的所述光引发剂，使得所述光图案强度的至多90%被所述光响应材料的所述体积的最大厚度吸收，所述光图案传播通过所述光响应材料。
17.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一投影单元的取向使得照射方向平行于构建体积的旋转平面。
18.根据权利要求8所述的系统，其中，除了所述第一投影单元之外，所述装置还包括能够产生第二波长的光的光图案的第二投影单元。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一投影单元和第二投影单元的照射方向平行于构建体积的旋转平面。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一投影单元和第二投影单元中的任何一个的照射方向平行于构建体积的旋转平面，并且其它的投影单元的照射方向垂直于构建体积的旋转平面。
21.根据权利要求18所述的系统，其进一步配置成使得以第一波长的第一光图案的序列照射所述构建体积，并且同时以第二波长的第二光图案的序列照射所述构建体积，直到形成所述三维物体。
22.根据权利要求18所述的系统，其中所述光响应材料包含光抑制剂，所述光抑制剂与所述第二波长的光相互作用，以选择性地阻碍第一波长的光改变所述光响应材料的相的能力。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述光响应材料包含两阶段光引发剂，使得所述光响应材料在用所述第一波长的光和第二波长的光进行局部同时或连续照射时被局部改变，但如果仅用一种波长的光进行局部照射，则不改变。
24.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述光响应材料接种有细胞。
25.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述光响应材料负载有固体颗粒。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述固体颗粒包括以下列表中的任何一种：
陶瓷颗粒，
金属颗粒，
聚合物颗粒，
其任意组合。
27.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述光图案是点状；或者
一维的（线性）；或者
二维的（平面的）；或者
三维的（体积的或“全息的”）。
28.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括以下列表中的任何一种：
温度控制装置，其用于控制所述光响应材料的温度；
湿度控制装置，其用于控制所述光响应材料的湿度；
氧浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的氧浓度；
二氧化碳浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的二氧化碳浓度；
氮浓度控制装置，其用于控制所述光响应材料中的氮浓度；
其任意组合。
29.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中控制器与所述构建体积可操作地关联，用于相对于所述投影单元或多个投影单元的照射区域垂直移动构建体积。
30.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中针对所述光响应材料的沉积效应来校正所述光图案。
31.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中针对构建体积相对于光图案的入射方向的未对准效应来校正所述光图案。
32.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中针对所述光响应材料内的光吸收效应来校正所述光图案。
33.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其进一步配置成使得在三维物体形成之后：
所述三维物体被保持在构建体积中，同时剩余的光响应介质被从构建体积中移除；
将不同于所述光响应介质的第二光响应介质填充到所述容器中；和
用权利要求1至7中任一项所述的方法由第二光响应介质形成第二三维物体。
34.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中对所述光响应介质的变化的记录是通过相衬成像、微分干涉相差或全息术来完成的。
35.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中含有所述光响应材料的所述容器被进一步配置成自动注射和移除所述光响应材料。
36.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中提供了一种装置，所述装置用于在制备出所述形成的三维物体之后，从所述构建体积中提取所述形成的三维物体。
37.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述容器被消毒，以便不污染所述光响应材料和所述形成的三维物体。
38.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述光响应材料装载有生物细胞，之后在所述生物细胞周围形成三维物体。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述生物细胞是未分化的干细胞。
40.根据权利要求38所述的系统，其中所述三维物体是具有用于细胞生长的支持生物材料的水凝胶。
41.根据权利要求40所述的系统，其中在所述三维物体形成后注射生物细胞。
42.根据权利要求41所述的系统，其中所述生物细胞是未分化的干细胞。
43.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述形成的三维物体用序列号标识。
44.根据权利要求8至23中任一项所述的系统，其中所述形成的三维物体具有各向异性的机械性质。
45.一种形成的生物器官，其由生物细胞的细胞生长的生物过程而形成，所述生物细胞是采用权利要求38或权利要求41所述的系统制备的三维物体中的生物细胞。
46.一种用于再现三维物体的方法，其包括以下步骤：
获得物体的三维计算机模型或扫描，以及
根据权利要求1的方法形成三维物体的副本。
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