CN111372785B

CN111372785B - 印刷机的印刷头部、印刷机和印刷方法

Info

Publication number: CN111372785B
Application number: CN201880052980.6A
Authority: CN
Inventors: 劳伦·马拉坎; 珍·路易斯·维奥维; 桑德琳·索雷勒; 泽维尔·道拉特; 维克托·富尼耶
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut Curie; Sorbonne Universite
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut Curie; Sorbonne Universite
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: KR20200035423A; US20200247046A1; US10947491B2; EP3661754B1; EP3661754A1; JP2021501563A; IL272297A; CN111372785A; WO2019025615A1; FR3069806A1; FR3069806B1

Abstract

本发明涉及印刷机(1)的微流体印刷头部(6)，其特征在于，该头部(6)包括远端面(19)以及：‑被称为注射通道的至少一个第一通道(14)，该至少一个第一通道用于将墨水注射到基板(40)上，注射通道(14)通过被称为注射开口的第一开口通至远端表面(19)上；‑被称为抽吸通道的至少一个第二通道(15)，该至少一个第二通道用于抽吸墨水，其中，抽吸通道(15)通过被称为抽吸开口的第二开口通至远端面(19)上；‑凹槽，该凹槽被限定在远端面(19)上，并且抽吸开口通至该凹槽中；以及‑至少一个光源(9)或光学波导(17)，该至少一个光源或光学波导用于传输由光源(9)发出的光。

Description

印刷机的印刷头部、印刷机和印刷方法

技术领域

本发明涉及生物印刷领域，并且更具体地涉及印刷机。

背景技术

生物印刷使医学取得了很大的进展。在这些进展中，可以提及的是创建由细胞和细胞外基质制成的植入物或活体结构，例如皮肤或骨骼结构。

目前，生物印刷主要用于医学研究。生物印刷能够创建细胞培养物和活体组织模型的微环境，这些微环境用于诊断和分析导致某些症状的机制。科学家已经在使用生物印刷，特别地用于研究肿瘤细胞或干细胞的演变。这使科学家能够更好地理解细胞、特别是癌细胞的演变，从而更好地治疗癌症并保护人类免受癌症的侵害。

已经证实，例如癌细胞需要空间异相的三维微环境。这种微环境的组份是物理的(拓扑结构，机械性能等)、化学的(细胞外基质的成分、生化因子的浓度等)和空间的(组成组织的各种细胞类型的分布等)。在生物印刷中，重建生理三维微环境，以能够对细胞增殖和分化处理进行控制，同时还能够确保所生成的组织的长期功能。

最后，科学家们正在努力的目标是创建功能性的、生物特征的、植入的组织模型。例如，这些组织模型可以是用于再生医学的“生物印刷的”人体器官。这些组织模型是模拟或不模拟症状并且可用于制药或治疗应用的功能性组织。

目前有多种技术用于生物印刷。然而，这些技术都具有缺点，这些缺点对科学家来说尤其具有限制性。

在以下描述中，术语“墨水”用于描述感光材料，该感光材料包括聚合物或水凝胶或聚合物和水凝胶的混合物，该感光材料包括或不包括活性细胞并且包括或不包括附加微粒，例如蛋白质、DNA、酸、碱、糖、生长因子、多肽、标志物、带电粒子、微粒和胶体。

第一种技术是微挤出技术。该技术包括使用一个或多个印刷头部。每个头部能够使由挤压通过喷嘴产生的水凝胶纤维沉积，该纤维的直径根据喷嘴的直径而变化。这些纤维被相继地并置和叠置以产生三维结构。该水凝胶可以接种给或不接种给细胞。在单一材料的情况下，用作培养载体的结构在被印刷完之后，通常会浸入细胞的悬浮液中，细胞沉积在该结构的表面。墨水通过微型注射器被推动并通过针头被沉积。该技术具有多个缺点。首先，针头的大小决定了所实现的结构的分辨率。针头具有给定的直径(通常为100微米)，从而能够将材料印刷成近似的大约为100μm的分辨率。此外，纤维的挤出轴上的分辨率难以控制并且通常大于100μm，因为该分辨率不由喷嘴的直径而是由流量控制来决定。该技术面临重大问题，即为了提高分辨率，较小直径的针头在挤出工艺期间增加了剪切应力，进而损害凝胶的性能或降低可能存在于挤出的材料中 (在墨水中)的细胞的生存能力。在细胞移位期间，施加在细胞上的剪切应力可能是有害的，即增加细胞凋亡率，尤其是如果针头太小和/或如果挤出速度过快时。此外，该技术涉及较长的印刷时间。还必须注意，异质结构的创建(即涉及依次使用不同墨水)可能是费力的。多种墨水的印刷转化为依次使用多个挤出头部并使多个挤出头部对齐，每个挤出头部都包含待印刷的墨水。在挤出期间不可能将这些材料混合以调节这些材料的相对浓度。此外，这种方法的有限的分辨率(100μm，即比细胞大十倍)不能实现对具有所印刷的结构的组织进行精确控制。

第二种技术是喷墨技术。喷墨技术包括喷射墨水的微小液滴的印刷头部。该技术的分辨率大约为五十微米，并且必须采取重要的预防措施以在印刷期间保持细胞生存能力。实际上，用于产生微小液滴的设备是基于热效应或压电效应，该热效应或压电效应会引起剪切应力和压缩应力并伴随显著的温度升高，这会损害细胞生存能力。

第三种技术是激光辅助转移印刷技术。该技术包括将墨水膜沉积在镀有金属的载玻片上。在这种印刷技术中，激光在与沉积有墨水的面相对的面上撞击载玻片之前，通过反光镜被定向并通过透镜被聚焦。该技术的精度可达到1微米。这种激光辅助印刷技术具有缺点。在这些缺点中，在创建三维结构时，特别是在创建需要有高纵横比的中空结构或实心结构(即具有复杂形状的结构) 时，所生成的结构是不稳定的。此外，由于针对每种墨水必须依次使用不同的载玻片，因此特别难以创建异质结构。在这种技术中，每个载玻片都包括一种类型的细胞。当细胞被激光撞击时，细胞会被喷出并沉积在基板上。为了添加不同的细胞并创建异质结构，必须使用其上沉积有另一种类型的细胞的另一载玻片，同时确保所讨论的载玻片完全对齐。这是费力的并且需要难以实现的精确度，因为需要(重复的)滑动操作。异质结构是由不同细胞、不同细胞外基质和/或不同生物分子组成的结构。

还必须注意，为了产生组织，必须在单个细胞的尺度上复现组织的异质性。这种异质性包括细胞的类型和细胞的空间位置、种属的浓度和种属的空间浓度、细胞外基质的类型、细胞外基质的孔隙率、细胞外基质的理化性能和机械特性以及这些特性的空间分布。

发明内容

本发明旨在克服这些缺点中的至少一个缺点。

本发明的目的是提出一种印刷机的微流体印刷头部，该微流体印刷头部可以建立异质结构，同时保持至少小于100微米、优选地小于50微米、更优选地小于20微米的分辨率。

另一目的是提供一种印刷机，该印刷机能够根据要求印刷由一种或多种类型的墨水制成的结构。

另一目的是提供一种印刷机，在该印刷机中，可以实时控制墨水流，以产生具有仔细调节的墨水成分的混合物。

另一目的是提供一种印刷机，在该印刷机中，使所使用的墨水量最小化。

本发明的另一目的是提供一种印刷机，该印刷机可以在三个空间方向上进行印刷，同时保持至少小于100微米、优选地小于50微米、更优选地小于20 微米的分辨率。

另一目的是提供一种能够利用各种波长(包括紫外光、可见光和红外光) 进行印刷的印刷机。

另一目的是提供一种能够以不同的分辨率进行印刷的印刷机。

另一目的是提供一种可以以各种分辨率进行印刷以优化印刷速度的印刷机。

另一目的是提供一种能够在使用多种类型的墨水的同时进行印刷的印刷机。

另一目的是提供一种能够在整个印刷处理期间将结构保持浸没在培养基中同时进行印刷的印刷机。

为此，本发明首先提供一种印刷机的微流体印刷头部，其中，该印刷头部包括远端面以及：

-至少一个第一通道，该第一通道被称为注射通道，用于将墨水注射到基板上，该注射通道通过被称为注射开口的第一开口通向远端面，

-至少一个第二通道，该第二通道被称为抽吸通道，用于抽吸墨水，其中，该抽吸通道通过被称为抽吸开口的第二开口通向远端面，

-被限定在远端面上的凹槽，抽吸开口通向该凹槽，

-用于传输由光源发出的光的至少一个光源或光学波导，

并且其中，光源或光学波导能够将光束投射到位于远端面上的照明区域上，该照明区域进而能够投射来自印刷头部的远端面的光束。

可以单独添加或以组合的方式添加多个附加功能：

-印刷头部包括主体和设置在主体上的端部件，该端部件包括注射开口、抽吸开口、凹槽和照明区域；

-主体包括分别与注射开口、抽吸开口和照明区相对设置的注射通道、抽吸通道和光源或光学波导；

-端部件由透明材料、优选地为聚二甲基硅氧烷弹性体制成；

-凹槽的深度沿着端部件的纵向轴线延伸，并且凹槽具有围绕照明区域的形状；

-凹槽沿着范围为180°至340°、优选地为320°的角扇形部在端部件(24) 的圆周上延伸；

-凹槽的径向宽度基本上是固定不变的，并且该径向宽度的范围为20μm 至500μm，优选地为100μm至300μm；

-在远端面与位于凹槽中的较深点之间测得的、凹槽的轴向深度的范围为 20μm至500μm，优选地为100至300μm；

-凹槽的深度基本上是固定不变的；

-照明区域的直径的范围为五微米至五百微米；

-注射开口和抽吸开口的直径的范围为二十微米至一毫米；

-照明区域包括从远端面突出的平台，突出的距离的范围为50μm至500μm，优选地为100μm，

-端部件包括在所述喷嘴的周界上延伸的环形冠部，该冠部从远端面突出，

-端部件包括被布置在注射开口与平台之间的前部腔以及被布置在平台与抽吸开口之间的后部腔，

-凹槽的轴向深度是可变的，

-该冠部包括延长该冠部的环形边缘，所述环形边缘沿平台的方向定向，使得该环形边缘部分地叠覆抽吸开口和/或注射开口。

其次，本发明提供一种印刷机，该印刷机包括：

-至少一个墨水贮存器，

-至少一个注射泵，该至少一个注射泵能够将墨水贮存器置于压力下，

-流体连接到墨水贮存器的分配器，该分配器能够控制从墨水贮存器收集的墨水的流量，

-能够移动的机械臂或能够移动的机械底座，

-如上所述的至少一个印刷头部，当印刷机包括机械臂时，该至少一个印刷头部被安装在机械臂上，或者当印刷机包括机械底座时，所述至少一个印刷头部被安装在印刷机的固定支撑件上，该至少一个印刷头部流体连接到分配器，以将墨水供应到至少一个印刷头部，该至少一个印刷头部能够将墨水注射到基板上，

-抽吸装置，该抽吸装置流体连接到印刷头部，以便抽吸由印刷头部注射的墨水，

-抽吸贮存器，该抽吸贮存器流体连接到抽吸装置以存储所抽吸的墨水，

-至少一个光源，如果印刷头部不包括光源，则该至少一个光源能够使墨水在印刷头部处聚合，

-连接的计算机单元，该计算机单元控制注射泵、分配器、机械臂、或者根据情况控制机械底座、抽吸装置和光源。

第三，本发明提供一种使用印刷机的印刷方法，该印刷机包括：

-至少一个墨水贮存器，

-能够移动的机械臂或能够移动的至少一个机械底座，

-如上所述的至少一个印刷头部，当印刷机包括机械臂时，该至少一个印刷头部被安装在机械臂上，或者当印刷机包括机械底座时，该至少一个印刷头部被安装在印刷机的固定支撑件上，该至少一个印刷头部流体连接到分配器，以将墨水供应到至少一个印刷头部，该至少一个印刷头部能够将墨水注射到基板上，

其中，该方法通过计算机单元中的计算机程序来实施，该方法包括：

-通过印刷头部将至少一种墨水注射到浸没的基板上的步骤，

-通过印刷头部抽吸墨水的步骤，

-通过至少一个光源使所注射的墨水聚合的步骤，

这些步骤在至少一部分印刷时间内被同时执行。

可以单独添加或以组合的方式添加多个附加功能：

-印刷方法包括使机械臂沿至少一个空间方向移动的步骤；

-印刷方法包括使机械底座沿至少一个空间方向移动的步骤。

附图说明

在下面的描述中，参考作为示例提供的附图对本发明的其他特征和优点进行说明，本发明不限于这些示例，在附图中：

-图1是根据本发明的印刷机的示意图，

-图2是图1的印刷机的印刷头部的端部的示意图，

-图3是印刷头部的端部件的透视图，

-图4a是印刷头部的端部件和板的透视图，

-图4b是沿图4a的三维平面IVb-IVb的横截面图，

-图4c是根据替代实施例的端部件的二维视图，

-图4d是图4c的端部件的透视图；

-图4e是沿图4d的IVe-IVe平面的横截面图，

-图4f是根据另一替代实施例的端部件的透视图，

-图4g是沿图4f的IVg-IVg平面的横截面图，

-图5是示出了微粒运动的真实图像，

-图6是端部件的二维示意图，

-图7是由根据本发明的印刷头部印刷的壁的示意图，

-图8是示出了一二维印刷的壁的真实图像的俯视图，

-图9是示出了多个二维印刷的壁的真实图像的俯视图，

-图10是示出了多个二维印刷的壁的另一真实图像的俯视图，

-图11是示出了多个三维印刷的壁的另一真实图像，

-图12是根据替代实施例的印刷机的示意图，

-图13是端部件的替代实施例的二维示意图，

-图14是端部件的替代实施例的二维示意图。

具体实施方式

图1是印刷机1的示意图。

印刷机1包括：

-至少一个墨水贮存器2，

-至少一个注射泵3，该至少一个注射泵能够将墨水贮存器2置于压力下，

-分配器4，

-机械臂5，

-印刷头部6，

-抽吸装置7，

-抽吸贮存器8，

-至少一个光源9，该至少一个光源可被整合或不被整合在印刷头部6中，以及

-计算机单元10。

定义了X、Y、Z三面体，该三面体的X轴表示机械臂5的第一水平移位方向，垂直于X轴的Y轴表示第二水平移位方向，并且垂直于X轴和Y轴的Z轴表示垂直移位方向。X轴、Y轴和Z轴限定了平面XY、XZ和YZ。

在图1所示的实施例中，印刷机1包括四个墨水贮存器2。每个墨水贮存器2包含不同的墨水。

墨水的数量以及贮存器2的数量可以根据具体需要、即根据待印刷的结构的异质性进行调整。

每个贮存器2通过供应通道11流体连接到分配器4。

分配器4包含多个阀12，阀的数量等于供应通道11的数量。每个阀12能够打开或关闭供应通道11。分配器能够根据印刷需求打开和关闭供应通道11。阀12可以是开/关类型的，即阀以二元方式被打开或关闭。这些阀12也可以是可变开口类型的。在这种情况下，阀可用于根据用户的喜好来调节供应通道11 中的流量。

在分配器的出口处，每个供应通道11被流体地连接到印刷机1的印刷头部 6的进料通道13延长。在图中未示出的实施例中，分配器4可被集成在印刷头部6中。

印刷头部6由于尺寸、特别是由于其包含的通道的尺寸而被描述为微流体，该通道在其路径的至少一部分上具有垂直于轴线的尺寸，并且优选地具有垂直于轴线的小于一毫米(例如约为十微米或一百微米)的两个尺寸。下文会更详细地介绍该尺寸。

印刷头部6包括：

-被称为注射通道的至少一个第一通道14，

-被称为抽吸通道的至少一个第二通道15，

-至少一个光源9或光学波导17，该光学波导用于传输由光源9发出的光。

抽吸装置7能够控制抽吸通道15中的流量或抽吸压力。

在图中所示的实施例中，印刷头部6包括光学波导17。

进料通道13在分支连接部18处流体连接到印刷头部6的注射通道14。因此在印刷头部6中制备墨水混合物。然而，可以在不同的位置制备墨水混合物。例如，分支连接部18可能位于印刷头部6的外部。

参考图2，注射通道14和抽吸通道15通至印刷头部的远端面19上。远端面19位于印刷头部6的端部。注射通道14和抽吸通道15分别通过被称为注射开口的第一开口20和被称为抽吸开口的第二开口21通至远端面19上。光源9 能够照亮位于远端面19上的照明区域22。照明区域22是优选地被例如能够产生准直光束的光源9照亮的被界定的区域。光源9能够产生优选地为相干的光束。也可以使用其他光束。例如，可以使用诸如LED、激光二极管、CCD或VCSEL设备的光源。与注射开口20和抽吸开口21相反，照明区域22有利地由透明材料保护，以保护光源9免受可能损坏该光源的墨水的损害。

参考图4a和图4b，印刷头部6包括主体23和端部件24。有利地，这使得能够使用两种不同的材料来制造印刷头部、特别是端部件24，如下文所述，该端部件具有特定的特征。

根据一个优选实施例，端部件24具有直径范围为一百微米至五毫米的圆柱形形状。在变型中，端部件24也可以是其他形状。

根据优选的实施例，端部件24可被设置在并固定到主体上。可以考虑各种附接方式。在所示的实施例中，主体23包括设有凹口50的端部部分25，同时，端部件24限定出中空腔26，该中空腔26的内壁27包括销51，销51可插入凹口50中。端部件24通过被容置在凹口50中的销51被设置并固定在端部部分 25上。端部部分25设有中间面28，注射通道14、抽吸通道15以及被称为光学通道的第三通道29在该中间面28上开口。端部件24包括远端面19、注射开口20、抽吸开口21和照明区域22。在图3、图4a和图4b中，照明区域22 呈第三开口(被称为光学开口)30的形式，该第三开口被设置在所述端部件24 的任一侧上并且通至远端面19上，与注射开口20和抽吸开口21一样。当端部件24被安装在主体23的端部部分25上时，注射开口20、抽吸开口21和光学开口30分别与主体23的注射通道14、抽吸通道15和光学通道29相对地定位。

在替代实施例中，端部件24是透明的。在这种情况下，端部件24不包括光学开口30。

印刷头部4由单个单元制成。印刷头部4可包括两种以上不同的材料。在印刷头部4由单个单元制成的情况下，该单个单元有利地是透明的，以允许光照射穿过。

有利地，远端面19设有轴向凹槽31。凹槽31至少部分地包括抽吸开口21。在图中所示的实施例中，抽吸开口21被包含在凹槽31中。换句话说，抽吸开口21完全被容纳在凹槽31内。在优选的实施例中，凹槽31呈圆弧形状，该圆弧形状围绕中心并且沿着范围为180°至340°、优选地基本等于320°的角度扇形部段在端部件24的圆周上延伸。因此，凹槽31不是封闭的。实验表明，320°的角度能够有利地在抽吸通道中引导所有注射的墨水。根据图中未示出的实施例，凹槽31的形状不限于圆弧。例如，该凹槽可以是椭圆弧形状。该凹槽也可以具有能够优选地围绕照明区域22的另一种形状。

凹槽31具有基本固定不变的径向宽度(沿端部件的径向轴线X)。该径向宽度的范围优选地为20μm至500μm，并且优选地为150μm至250μm。

凹槽31具有在远端面19与位于凹槽31中的较深点之间测量的轴向深度 (沿Z轴)，该轴向深度的范围优选地为20μm至500μm，并且优选地为150μm 至250μm。优选地，凹槽31还具有基本固定不变的深度和/或基本固定不变的横截面。

凹槽31的这样的深度和这样的径向宽度使该凹槽能够实现对所注射的墨水的最佳回收。

凹槽31限定出中心区域32。注射开口20有利地位于中心区域32中。因此，当墨水通过注射开口20从印刷头部6排出时，墨水的未聚合的部分有利地被引导通过凹槽31，然后被抽吸开口21抽吸。下文描述墨水的运动。

凹槽31的横截面(沿横截面XZ)可具有正方形、椭圆形、棱锥形或任何其他形式的形状，但是该横截面优选地是圆柱形的。

照明区域22有利地位于注射开口20与抽吸开口21之间。更准确地，开口 20、21和光学开口对准。换句话说，每个开口包括中心(图中未示出)，使得线(未示出)基本上与这些中心中的每个中心相交。然而，例如当印刷头部6 包括多个注射开口20、抽吸开口21和光学开口30时，这些中心可能未对准。下文描述该图中未示出的替代形式。

抽吸通道15流体连接到抽吸装置7和抽吸贮存器8。抽吸装置例如可以是抽吸泵。

在图1至图4所示的实施例中，所使用的光源9是例如为激光器的相干光源9。激光器9的功率范围为0.1mW至160mW，优选为1mW至10mW。对于直径为20μm的暴露的圆形表面面积，激光器9发射的与每个表面单元的能量的量相对应的功率为0.8mW。照明范围为0.3×10⁶Wm^-2至500×10⁶Wm^-2，并且优选地为1×10⁶Wm^-2至75×10⁶Wm^-2。波长范围为265nm至红外光谱，优选地为365nm至750nm。激光器9位于印刷头部6的外部，如图1示意性所示。光源9可以是激光二极管、LED或VCSEL。也可以使用其他工具。优选地，照明区域22(以及光束)的直径范围为五微米至五百微米。

在该实施例中，设置在印刷头部6中的光学通道29从印刷头部的顶部表面 33延伸到中间面28。印刷头部6包括光学波导17，该光学波导插入光学通道 29中并且能够将激光器9的相干光束引导到光学开口30。参考图4，光学波导 17的下端部(图中未示出)位于中间面28处。有利地，光学波导17未延伸到光学开口30。光学波导的下端部包括透镜(例如球面透镜)，该透镜既能够保护光学波导17又能够实现更好的光束。光学波导17例如是光学纤维。在替代实施例中，光学波导17可以不设有透镜。

在图中未示出的替代实施例中，根据需要，光学开口30可设有附加的透镜。

如上所述，印刷机1包括计算机单元10，该计算机单元10能够协调该计算机单元所包括的所有不同元件。计算机单元10可以是计算机、微处理器、或更一般地为用于控制电子操作、光学操作、机械操作和/或流体操作的任何自动化装置。因此，计算机单元10可以通过电线或通过无线系统连接到注射泵3、分配器4、机械臂5、光源9和抽吸泵7。这些连接在图1中以虚线示意性示出。计算机单元包括处理器，计算机程序在该处理器中实施，以实施印刷方法。

术语“泵”没有任何限制性，该泵可以是能够压缩或输送流体或产生低压 (抽吸)的任何装置。

印刷头部6的主体包括设有多个附接孔36的板35。孔36用于容置附接螺钉(未示出)。板35有利地被附接在机械臂上。机械臂5可沿三个空间方向移动。这使得印刷头部6能够构造三维结构。

主体有利地由聚合物制成。主体23例如通过机械加工制成。可以使用其他材料。

根据优选的实施例，端部件24由聚合物制成，优选地由透明聚合物制成。同样优选地，该透明聚合物是弹性体，例如聚二甲基硅氧烷。该端部件通过使用微加工模具(未示出)模制而成。印刷头部也可由这种材料制成。因此，印刷头部和端部件24可以由同一材料或不同材料制成。

用于制造端部件24的材料具有特定的重要性，因为该材料是与聚合区域 37接触的材料。聚合区域37是形成三维结构的区域。

有利地，用于制造印刷头部的材料是：

-相对于聚合反应呈惰性，

-优选地但不一定是透明的，以使由光源发出的光束能够在照明区域处穿过材料照射，

-优选地对气体、特别是氧气而言是可渗透的，以在约一微米的减小厚度上局部地抑制聚合反应，并在印刷处理期间防止所聚合的材料粘附到端部件24 上。

端部件24可以由弹性体可变形聚合物、刚性聚合物或金属制成，例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，聚二甲基硅氧烷具有惰性、透明、可变形的优点，并且由于聚二甲基硅氧烷对氧气具有可渗透性，聚二甲基硅氧烷防止聚合物和墨水粘附到表面上。在端部件24不是由透明材料制成的情况下(如在附图所示的实施例的情况下)，优选地在照明区域22处形成光学开口30(如上所述)，并在光学开口中插入透明窗口以保护光源。在这种情况下，透明窗口可以是平坦的载玻片或透镜(例如球面透镜)，以实现如上所述的优选为准直的光束。

必须注意，印刷头部可完全由同一材料制成。

如上所述，光源9可被整合在印刷头部6中或与印刷头部6分离。在后一种情况下，印刷头部6包括诸如光学纤维的光学波导17，以引导光束穿过印刷头部6，直到照明区域22。为了消除光学波导17，替代实施例可包括将光源9 定位成靠近远端面19。

注射开口20和抽吸开口21的直径范围为二十微米至一毫米。注射通道14 和抽吸通道15的直径范围也为二十微米至一毫米。这些尺寸是有利的，因为这些尺寸保护细胞42免受剪切应力。替代地，注射开口20和抽吸开口21可具有正方形形状或矩形形状或任何其他形状的横截面。然而，优选的形状是圆形。

注射通道14中的注射压力的范围优选地为0至1巴。该压力是通过用注射泵3对贮存器2进行加压获得的。抽吸压力介于负1巴(低压)至0巴之间。该抽吸压力是通过抽吸泵7获得的。有利地，抽吸(低压)流量的绝对值大于注射流量的绝对值，以防止污染注射开口20与抽吸开口21之间的围绕头部的介质，以及增强对由注射开口20注射的墨水的回收。

印刷头部6沿X轴和沿Y轴的移位速度可以达到一厘米每秒。印刷处理通常沿X轴和沿Y轴进行，伴随着同时的或单独的沿这些轴线的移动。该头部也可同时沿X轴、Y轴和Z轴移动，或者在平面XY上进行移动，然后沿Z轴进行移动，反之亦然。印刷头部6沿Z轴的速度也可以达到十厘米每秒。

印刷头部6与基板40之间的距离范围为10μm至800μm。必须注意的是，当该距离低于20μm时，流体流通困难，而超过400μm时，通过抽吸进行的墨水回收的效率降低，从而引起污染周围介质的风险。以优选的方式，该距离范围为40μm至200μm。

在下文中，描述了印刷机的操作。如上所述，印刷头部6通过由计算机单元10控制的机械臂5移动。三维结构通过计算机辅助设计工具来创建，并被导入计算机单元10。该结构例如可被包含在计算机文件中。该结构可以是异质的 (多种墨水)或简单的(一种墨水)。还可以通过注射局部不同的墨水，或通过在印刷处理期间更改光源的波长和/或强度来获得结构的异质性。

例如，用于支撑该结构的基板40被浸入构成聚合区域的流体、优选地为水溶液中，该流体全部被容纳在例如有盖培养皿43中。在其他实施例中，聚合区可包含另一种液体，例如油。在优选的实施例中，印刷头部6被定位成使得端部件24的远端面19浸入水和水凝胶的混合物中。

当计算机单元10指示分配器4打开至少一个开口阀12时，开始印刷处理。因此，相应的墨水被输送向印刷头部6。一种或多种墨水穿过注射通道14并通过注射开口20喷射到印刷头部6上。沿对墨水可用的所有方向喷射墨水。并行地，抽吸泵7被激活。抽吸通道15中的负压的绝对值大于注射通道14中的注射压力的绝对值。由注射通道喷射的墨水被引导朝向抽吸通道15。被引导向抽吸通道15的墨水的选用了对其可用的最短路径的部分由于在照明区域22下方通过而被聚合。对一个或多个光源进行的激活引起墨水的局部聚合，然后移动头部。在移位期间，当头部相对于样品的位置到达待聚合的区域时，激活光源。该聚合的墨水附接在预先与印刷头部6的远端面19相对地布置的基板40上。同时，所喷射的墨水的另一部分损失了。该损失的墨水被引导穿过凹槽31，并被抽吸通道15抽吸穿过抽吸开口21。由于该墨水绕过了照明区域22，因此该墨水不会被聚合。

必须注意，抽吸流量比注射流量更重要，因此，所有注射的墨水都与周围的介质同时被抽吸。

参考图5，使用十微米的荧光微粒来表示墨水流。在该实验中，注射压力为六十毫巴，并且抽吸压力为九十毫巴。水和水凝胶的混合物以分别为百分之二十五和百分之七十五的比例制成。

如图5和图6所示，端部件24的结构特别是由于其中包含抽吸开口21的凹槽而有利地能够引导墨水。特别是在图6中，墨水的移动由流动箭头线来表示。如可看到的，几乎所有的墨水都通过凹槽被引导和抽吸。该机制能够避免周围介质受到污染，并有利于在聚合区域处对墨水进行更新或更换。

图4c示出了印刷头部的替代实施例。在该实施例中，凹槽31的轴向深度是变化的。更具体地，凹槽31的轴向深度随着距抽吸开口21的距离而变化。这增加了凹槽31中的微流体阻力。因此，印刷处理更加高效。

在该实施例中，照明区域22包括平台54。平台54沿Z轴从端部件的远端面19突出。平台54沿Z轴的高度范围为50μm至500μm，并且优选地为100μm。 100μm的高度可在材料的抽吸力与印刷头部的移位速度之间取得良好的折衷。平台54能够使端部件远离聚合区域37移动，使得端部件24的周界边缘53不与聚合的墨水发生接触。平台54有利地具有截头棱锥形形状。可以使用其他形状，例如立方体。然而，优选的实施例包括截头棱锥形形状的平台。实际上，由申请人进行的与平台54周围的流动有关的研究表明，使用截头棱锥体有利地避免了在墨水更换期间出现会引起污染的缓慢流动区域。

在该实施例中，端部件24包括被布置在注射开口20与平台54之间的前部腔55。端部件24包括被布置在平台54与抽吸开口21之间的后部腔56。前部腔55和后部腔56具有大致金字塔形的形状。前部腔和后部腔沿Z轴设置在端部件内部。有利地，前部腔和后部腔一方面在注射开口20与平台54之间、另一方面在平台54与抽吸开口21之间形成流体空间。这减小了微流体阻力，从而有利于平台54下方的流动并改善了墨水的更新。截头棱锥形形状的腔有利地避免了所述腔中的高度的突然变化。可以使用其他形状，例如，半圆筒形腔。实际上，腔内的高度的突然变化会对墨水流动产生负面影响。

在该实施例中，端部件包括冠部57。冠部57围绕Z轴是环形的。该冠部在端部件24的周界上延伸。冠部57从远端面突出。冠部57没有沿着Z轴从平台54突出。换句话说，平台最多在平台54处沿Z轴延伸。

端部件24可设有冠部57和/或平台54和/或前部腔55和/或后部腔56和/ 或深度可变的凹槽31。

在图4f和图4g所示的替代实施例中，冠部57包括环形边缘58。环形边缘 58沿平台54的方向、即沿X轴和Y轴延长了冠部57。因此，环形边缘58部分地叠覆抽吸开口21和注射开口20。实际上，头部被定位在距基板一指定距离处，以具有限制区域，该区域使得能够通过抽吸开口良好地抽吸墨水。通过使头部远离基板移动而损害了限制区域，同时损害对墨水的抽吸，从而损害了印刷处理。环形边缘58能够复现限制区域并实现适当的抽吸，结果是可以使印刷头部沿Z轴远离基板移动以印刷更高的结构，和/或可增加印刷速度(沿X 轴和/或Y轴的移位)。

如上所述，通过使墨水沿由光束的形状限定出的侧向尺寸(X，Y)在照明区域22前方通过，墨水被聚合。聚合的结构的厚度由下述几何限制来限定：该几何限制由远端面距基板40或距预先印刷的结构的距离确定。然后墨水在基板 40或在预先印刷的结构上被网状化。印刷头部6的远端面19被定位在距基板 40或距预先印刷的结构一指定距离h处。该距离对应于印刷头部6在照明期间可以印刷的层的最大高度。印刷的结构的X、Y分辨率主要由光束的光学特性限定，该光学特性导致聚合并确保范围为0至h的层厚度的指定精度。例如，当需要在指定长度上构造具有六百微米的高度的结构时，并且当印刷头部6的印刷能力为在二百微米的高度下具有可接受的精度时，远端面19最初将被置于二百微米的距离处。通过创建高度为二百微米的第一层结构，并通过使机械臂 5在所需平面(X，Y)中侧向移动以创建所需结构而使墨水聚合。一旦达到指定长度，机械臂5就会沿Z轴移动二百微米的距离，并在机械臂的路径上返回以建立第二层，以此类推，直到高度达到六百微米(在这种情况下为三个连续层)。

彼此交叉的壁41的示意性示例在图7中示出。在该图中，交叉壁41具有不同的高度。图7示意性地示出了该方法和该印刷机1能够在交叉处堆叠由墨水制成的结构。权利要求人进行的实验表明，使用准直光源能够更好地实现结构的堆叠，该准直光源能够增大值h，即在更大的聚合厚度上保持聚合精度。可以使用聚焦光束，但是优选地使用准直光束。

上述印刷机能够创建具有不连续性、不同高度、壁交叉点和堆叠的复杂结构。上述印刷机能够创建带有中空腔的复杂结构。上述印刷机为想要复现细胞生长环境的科学家提供了极大的创建自由度。

一种用于实施印刷机的方法，该方法包括：

-将一种或多种墨水注射到浸没的基板上的步骤，该注射是通过注射通道 14完成的，

-通过抽吸通道15抽吸一种或多种墨水的步骤，

-使注射的一种或多种墨水聚合的步骤。

这些步骤可部分地同时进行，并且优选地在某些印刷持续时间内同时进行。这些步骤还可优选地在印刷头部6沿一个方向或同时沿多个方向(X，Y，Z) 在空间中移动的同时进行。在印刷处理期间，印刷头部的端部被浸入聚合区域 37中。

上述印刷机1具有许多优点，其中：

-由于光束的精确度，该印刷机可以创建分辨率至少小于20微米的异质结构，光束的直径被充分减小以实现高分辨率值，

-该印刷机能够准确控制所使用的墨水混合物的成分，

-可以在时间和空间上控制墨水流，

-减少了所使用的墨水的量，

-该印刷机可以以1微米的分辨率在三个空间方向上进行印刷，

-该印刷机可以依次和/或同时以不同波长进行印刷，

-该印刷机可以以不同的分辨率进行印刷。

在印刷头部的替代实施例(未示出)中，印刷头部可以包括多个注射通道、抽吸通道和照明区域。

在图13所示的另一实施例中，印刷机可以设有多个印刷头部6和多个照明区域22。光源的波长和直径可以从一个印刷头部到另一个印刷头部而变化。

在图14所示的另一实施例中，印刷头部6包括多个照明区域22。在该实施例中，印刷头部包括三个照明区域，该三个照明区域的波长和直径可相对于彼此而变化。

在图14所示的另一实施例中，印刷头部6包括在印刷头部的整个周界上延伸的环形凹槽31以及多个照明区域22。照明区域可具有从一个照明区域到另一个照明区域变化的波长和直径。

在图中未示出的替代实施例中，印刷头部包括注射通道和两个抽吸通道。有利地，凹槽是环形的。申请人进行的测试表明，这样的印刷头部是有利的，因为通过抽吸开口回收墨水是高效的。

在另一实施例(未示出)中，印刷头部是固定的，并且有盖培养皿43被安装在由计算机单元10控制的机械底座上。在该实施例中，印刷头部被安装在固定支撑件上，并且只有底座运动以形成待印刷的结构。在该替代实施例中，印刷头部6不移动，并且在机械底座移动的同时执行该处理的前述步骤。

以下描述涉及在实验室中进行的多个测试。

这些实验是通过在合成PEG DA(聚(乙二醇)二丙烯酸酯)水凝胶中进行的印刷处理来完成的。该印刷处理是在载玻片上执行的，该载玻片通过浸入合成水凝胶的MAPTMS(氨基丙基三甲氧基硅烷)而被功能化。

测试1(图8)：在玻璃基板上印刷的水凝胶结构。

墨水：50％PEG DA(分子量700)、50％水、0.0075％的光引发剂819、2％的荧光颗粒(直径300nm)

远端面与基板之间的距离：60μm

注射压力：100mbar

抽吸压力：-150mbar

沿X轴的速度：0.1mm/s

激光功率：4mW

分辨率：20μm(沿Y轴的宽度)

波长：405nm

在测试1中，绘制了高度为60μm的水平线。

测试2(图9)：在玻璃基板上印刷的水凝胶结构。

远端面与基板之间的距离为：60μm、120μm、140μm。

注射压力：100mbar

抽吸压力：-150mbar

沿X轴的速度：0.1mm/s

激光功率：4mW

分辨率：50μm(沿Y轴的宽度)

波长：405nm

在该测试2中，绘制了三条竖直线，其中，远端面与基板之间的距离为60μm。

然后将远端面定位在120μm的距离处。绘制了第一条水平线。

然后将远端面定位在140μm的距离处。绘制了第二条水平线。

该示例表明，可以将厚度可变的层在彼此顶部堆叠。实际上，所实现的结果是特别有希望的，并且表明所创建的结构是稳定的。

实际上，在第一水平线与竖直线中的任一竖直线之间的交点处，实现了第一层和第二层的堆叠，并且该结构是稳定的。

对于第二条水平线，可以进行相同的观察。

测试3(图10)：在玻璃基板上印刷的水凝胶结构。

远端面与基板之间的距离：60μm

注射压力：100mbar

抽吸压力：-150mbar

沿X轴的速度：0.1mm/s

激光功率：2mW

分辨率：20μm(在平面XY上的宽度)

在该测试3中，远端面与基板之间的距离为60μm。绘制了第一条斜线，该第一条斜线的长度为1mm，宽度为30μm。

然后远端面与基板之间的距离增加了40μm，使其达到100μm。绘制第二条斜线，其高度为100μm，长度为1mm，宽度为40μm。

宽度随着照明区域与基板之间的距离而增加。由照明区域发出的光束不能完全准直，因此会出现轻微的发散。

测试3表明，一方面可以绘制斜线，并且这些结构彼此堆叠时是稳定的，如在这两条线的交点处可见的那样。

测试4(图11)：在玻璃基板上印刷的水凝胶结构。

墨水：50％PEG DA(分子量700)、50％水、0.0075％的光引发剂819、1％的荧光颗粒(直径300nm)

远端面与基板之间的距离：60μm

注射压力：100mbar

抽吸压力：-150mbar

沿轴线X的速度：0.1mm/s

激光功率：10mW

分辨率：100μm(在平面XY上的宽度)

进行测试4时，使远端面与基板之间的距离为170μm。以1mm的长度和 100μm的宽度绘制四条邻近的线。

远端面的高度增加了100μm，使其达到270μm，并且仅在侧面绘制了两条线。(长度为1mm，宽度为100μm)。

然后，该距离再次增加了150μm，使该距离达到420μm，并且仅在侧面绘制了两条线。(长度为1mm，宽度为50μm)。

Claims

1.一种印刷机(1)的微流体印刷头部(6)，所述印刷头部(6)包括远端面(19)以及：

-至少一个第一通道，所述第一通道被称为注射通道(14)，用于将墨水注射到基板(40)上，所述注射通道(14)通过被称为注射开口(20)的第一开口通至所述远端面(19)上，

-至少一个第二通道，所述第二通道被称为抽吸通道(15)，用于抽吸所述墨水，其中，所述抽吸通道(15)通过被称为抽吸开口(21)的第二开口通至所述远端面(19)上，

-至少一个光源(9)或用于传输由光源(9)发出的光的光学波导(17)，

其特征在于，所述印刷头部(6)包括凹槽(31)，所述凹槽被限定在所述远端面(19)上，并且所述抽吸开口(21)通至所述凹槽中，

并且，所述光源(9)或光学波导(17)能够将光束投射到位于所述远端面(19)上的照明区域(22)上，所述照明区域(22)进而能够从所述印刷头部的远端面(19)投射光束。

2.根据权利要求1所述的印刷头部(6)，其中，所述印刷头部包括主体(23)和被设置在所述主体(23)上的端部件(24)，所述端部件(24)包括所述注射开口(20)、所述抽吸开口(21)、所述凹槽(31)和所述照明区域(22)。

3.根据权利要求2所述的印刷头部(6)，其中，所述主体(23)包括分别与所述注射开口(20)、所述抽吸开口(21)和所述照明区域(22)相对地定位的所述注射通道(14)、所述抽吸通道(15)和所述光源(9)或所述光学波导(17)。

4.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述端部件(24)由透明材料制成。

5.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)的深度沿着所述端部件(24)的纵向轴线延伸，并且所述凹槽具有围绕所述照明区域(22)的形状。

6.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)沿着范围为180°至340°的角度扇形部段在所述端部件(24)的圆周上延伸。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)具有固定不变的径向宽度，并且所述径向宽度的范围为20μm至500μm。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部，其中，在所述远端面(19)与位于所述凹槽(31)中的较深点之间测量的所述凹槽(31)的轴向深度的范围为20μm至500μm。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)的深度是固定不变的。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述照明区域(22)的直径范围为五微米至五百微米。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述注射开口(20)和所述抽吸开口(21)的直径范围为二十微米至一毫米。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述照明区域(22)包括从所述远端面(19)突出的平台(54)，突出的距离的范围为50μm至500μm。

13.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述端部件(24)包括在所述端部件(24)的周界上延伸的环形冠部(57)，所述冠部从所述远端面(19)突出。

14.根据权利要求13所述的印刷头部(6)，其中，所述照明区域(22)包括从所述远端面(19)突出的平台(54)，所述端部件(24)包括被布置在所述注射开口(20)与所述平台(54)之间的前部腔(55)，以及包括被布置在所述平台(54)与所述抽吸开口(21)之间的后部腔(56)。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)具有可变的轴向深度。

16.根据权利要求13所述的印刷头部(6)，其中，所述照明区域(22)包括从所述远端面(19)突出的平台(54)，所述冠部包括延长所述冠部(57)的环形边缘(58)，所述环形边缘沿所述平台(54)的方向定向，使得所述环形边缘(58)部分地叠覆所述抽吸开口(21)和/或所述注射开口(20)。

17.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述端部件(24)由聚二甲基硅氧烷弹性体制成。

18.根据权利要求2或3所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)沿着为320°的角度扇形部段在所述端部件(24)的圆周上延伸。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述凹槽(31)具有固定不变的径向宽度，并且所述径向宽度的范围为100μm至300μm。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，在所述远端面(19)与位于所述凹槽(31)中的较深点之间测量的所述凹槽(31)的轴向深度的范围为100μm至300μm。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的印刷头部(6)，其中，所述照明区域(22)包括从所述远端面(19)突出的平台(54)，突出的距离为100μm。

22.印刷机(1)，其特征在于，所述印刷机包括：

-至少一个墨水贮存器(2)，

-能够对所述墨水贮存器(2)进行加压的至少一个注射泵(3)，

-流体连接到所述墨水贮存器(2)的分配器(4)，所述分配器(4)能够控制从所述墨水贮存器(2)收集的墨水的流速，

-能够移动的机械臂(5)或能够移动的机械底座，

-至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的印刷头部(6)，当所述印刷机(1)包括机械臂(5)时，所述印刷头部被安装在所述机械臂(5)上，或者当所述印刷机(1)包括机械底座时，所述印刷头部被安装在所述印刷机的固定支撑件上，所述至少一个印刷头部(6)被流体连接到所述分配器(4)，以将墨水供应到所述至少一个印刷头部，所述至少一个印刷头部(6)能够将墨水注射到基板(40)上，

-抽吸装置(7)，所述抽吸装置被流体连接到所述印刷头部(6)，以便抽吸由所述印刷头部(6)注射的墨水，

-抽吸贮存器(8)，所述抽吸贮存器被流体连接到所述抽吸装置(7)以存储所抽吸的墨水，

-至少一个光源(9)，如果所述印刷头部(6)不包括光源(9)，则所述至少一个光源能够使所述墨水在所述印刷头部(6)处聚合，

-所连接的计算机单元(10)，所述计算机单元控制所述注射泵(3)、所述分配器(4)、所述机械臂(5)，或者控制所述机械底座、所述抽吸装置(7)和所述光源(9)。

23.利用印刷机(1)进行印刷的方法，所述印刷机包括：

-至少一个墨水贮存器(2)，

-能够对所述墨水贮存器(2)进行加压的至少一个注射泵(3)，

-能够移动的机械臂(5)或能够移动的机械底座，

-至少一个根据权利要求1至11中的一项所述的印刷头部(6)，当所述印刷机(1)包括机械臂(5)时，所述印刷头部被安装在所述机械臂(5)上，或者当所述印刷机(1)包括机械底座时，所述至少一个印刷头部(6)被安装在所述印刷机的固定支撑件上，所述至少一个印刷头部(6)被流体连接到所述分配器(4)，以将墨水供应到所述至少一个印刷头部(6)，所述至少一个印刷头部(6)能够将墨水注射到基板(40)上，

-所连接的计算机单元(10)，所述计算机单元控制所述注射泵(3)、所述分配器(4)、所述机械臂(5)，或者控制所述机械底座、所述抽吸装置(7)和所述光源(9)，

其特征在于，所述方法是通过计算机单元(10)中的计算机程序实现的，该方法包括：

-通过所述印刷头部(6)将至少一种墨水注射到浸没的基板(40)上的步骤，

-通过所述印刷头部(6)抽吸墨水的步骤，

-通过至少一个光源(9)使注射的墨水聚合的步骤，

这些步骤在至少一部分印刷时间内被同时执行。

24.根据权利要求23所述的利用印刷机(1)进行印刷的方法，其中，所述方法包括使所述机械臂(5)沿至少一个空间方向移动的步骤。

25.根据权利要求23所述的利用印刷机(1)进行印刷的方法，其中，所述方法包括使所述机械底座沿至少一个空间方向移动的步骤。