CN114072269B - 在多孔板中高通量无掩模制造聚合物支架和生物组织的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种以快速，高通量，可控和可再现的方式在多孔板中制造聚合物支架和生物组织的方法和装置，其通过将孔的光学曝光用于模式化的探测光而不使用光掩模。在一些方面中，装置包括光源，用于产生探测光；数字显示设备，用于对探测光进行空间调制，以将可编程空间模式编码在空间调制光中；台，用于持住目标表面或室，其中目标表面或室包含溶液，该溶液包括基于与投射在该溶液上的空间调制光的相互作用而形成支架或构建体的材料；以及计算机控制设备，其与光源和数字显示设备通信，用于控制包括形成支架或构建体的材料的溶液的变化。

Description

在多孔板中高通量无掩模制造聚合物支架和生物组织的方法 和装置

相关申请交叉引用

本专利文件要求2019年4月11日提交的标题为“在多孔板中高通量无掩模制造聚合物支架和生物组织的方法和装置”的美国临时专利申请号62/832,819的优先权和权益。通过引用将上述专利申请的全部内容并入作为本专利文件的公开的一部分。

技术领域

本专利文件关于用于细胞或组织培养的结构或设备的设计和制造。

背景技术

本专利文件的公开包括用于高通量制造的方法和装置的示例实施例和实施方式：(i)用于细胞或组织培养以指导细胞或组织行为和功能的聚合物支架；和(ii)工程化组织构建体，例如用于药物筛选，诊断，和治疗的肝组织，心脏组织，肾组织，肺组织，神经组织，骨组织，软骨组织，和肿瘤模型。

在一些示例实施例和实施方式中，公开了一种用于以快速，高通量，可控和可再现(reproducible)的方式在多孔板中制造聚合物支架和生物组织的无掩模方法和装置。借助数字显示设备(例如，数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，发光二极管(LED)显示器)，光学模式被投射到多孔板的底部，以选择性聚合并定义聚合物支架或生物组织构建体的形状，大小，和局部机械特性。用于制造的材料可包括但不限于光聚合性单体溶液，光引发剂，细胞，纳米颗粒，和其他生物分子。多孔板广泛地包括具有单个或多个孔/室(例如，1，2，4，6，8，12，24，48，96，384等)的常规和定制的细胞/组织培养容器。可对孔的底部进行化学处理，以提高已聚合结构与底部的粘附。在一些实施例中，例如，多探针插入件可用于控制已聚合结构的厚度。在一些实施例中，例如，聚合物结构的厚度可通过添加至每个孔的单体溶液的体积来控制。孔的侧壁可具有特殊设计的物理特征，以减少或消除液体溶液表面和侧壁之间形成的弯液面。侧壁的表面也可以进行化学处理以减少弯液面，例如，使用疏水或超疏水涂层。物理特征和化学涂层可组合以优选地减少或消除弯液面。

在一些方面，用于制造支架或构建体的高通量，无掩模的制造装置包括光源，用于产生探测光(probe light)；数字显示设备，用于接收探测光并对接收到的探测光进行空间调制以在空间调制光中产生可编程空间模式；持住(hold)目标表面或室的台，其中目标表面或室包含溶液，该溶液包括基于与投射在该溶液上的空间调制光的相互作用而形成支架或构建体的材料；以及与光源和数字显示设备通信的计算机控制设备，用于控制包括形成支架或构建体的材料的溶液的变化。

在一些方面，用于使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体的高通量，无掩模的制造装置包括光模式设备，该光模式设备包括发光二极管(LED)阵列，该发光二极管(LED)阵列的每个LED可操作地用于产生探测光束，不同的LED被控制为探测光束的阵列，以在探测光束上共同携带可编程空间模式，其中，携带可编程空间模式的探测光束可被投射在从光模式设备接收探测光束的目标表面或室上；以及控制模块，其被耦接以控制光模式设备，以将携带预定空间模式的探测光束引导至孔，以使孔中的溶液光聚合以形成支架或组织构建体。

在一些方面，一种不使用光掩模直接制造支架或构建体的方法包括通过光源发射探测光；基于可编程空间模式对探测光进行空间调制以产生模式编码光；以及将携带可编程空间模式的模式编码光引导至目标表面或室处，以将在目标表面上或目标室中的包括材料的溶液暴露于编码光，使得该溶液经历变化以产生支架或构建体。

附图说明

图1A示出了描绘根据本技术用于在目标表面上制造3D聚合物支架和/或工程化组织构建体的高通量，无掩模的装置的示例实施例的示意图。

图1B示出了描绘根据本技术在目标表面上制造3D聚合物支架和/或工程化组织构建体的高通量，无掩模的方法的示例实施例的示意图。

图1C示出了图1A的装置的控制单元的示例实施例的框图。

图1D-1F示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用DMD作为数字显示设备。

图1G示出了根据图1D所示装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例。

图2示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用DMD作为数字显示设备，且无机动台。

图3A-3C示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用DMD作为数字显示设备，且无多探针插入件。

图4示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用DMD作为数字显示设备，且无多探针插入件和机动台。

图5A-5C示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用LCD作为数字显示设备。

图6A-6C示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用LCD作为数字显示设备，但不包括多探针插入件。

图7A-7C示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用LED显示器作为数字显示设备。

图8A-8C示出了描绘根据图1A的装置的高通量，无掩模的制造装置的示例实施例的示意图，其使用LED显示器作为数字显示设备，但不包括多探针插入件。

图9示出了描绘具有多种形状的示例聚合物支架的一组图像。

图10A-10C示出了描绘由多种细胞和材料成分制成以模拟原生肝组织的被模式化的仿生肝组织的示意图和图像。

具体实施例

制药工业的药物开发是一个漫长，低效，且昂贵的过程，这限制了能够进入消费市场的新药的产量。目前，在12-15年的时间里，推出一种单一药物的成本约为18亿美元。根据FDA，大约92％成功通过临床前动物实验的药物在随后的人体试验中失败，这凸显了缺乏足够的临床前实验工具以事先生成准确的预测数据。动物模型成本高昂，对人类药物代谢的预测价值有限，例如，由于物种特异性差异。传统的体外药物实验方法依赖于简单的2D细胞培养系统，无法重现复杂的3D组织微环境，因此导致用于预测体内反应的数据不可靠。因此，非常需要替代方式以在早期阶段改进药物失效预测，这将降低成本并加速新的有效药物的创新和发布(release)。

高通量筛选(HTS)系统提供了一种快速处理大量化合物和分子靶标的有效方法。因此，多个制药公司正在转向使用HTS格式的3D仿生组织进行潜在候选药物的临床前毒性实验。近年来，3D生物打印技术已经被开发用于制造微型化装载3D细胞的构建体。例如，喷墨生物打印机和生物激光打印机(BioLP)都已被用于将细胞快速沉积到微阵列中。

然而，3D生物打印方法的多种实施方式与在多孔板中打印不兼容，多孔板广泛用于细胞/组织培养以及药物反应实验的HTS系统。例如，将打印的样品从这些平台转移至多孔板会显著降低生产速度，也会增加干扰，损坏，或污染样品的风险。虽然基于挤压的生物打印机的某些设计可以修改为直接在多孔板中打印，但这些往往限于以串行方式一个孔接一个孔地执行打印，这固有地限制了打印速度，并且需要延长的时间来打印用于HTS目的的大量样品。这种延长的打印时间延迟了生产和项目进度，并可能导致样品质量的显著变化，特别是当活细胞参与打印时(例如，第一个打印的样品与最后一个打印的样品之间的细胞活力可能非常不同)。因此，仍然迫切需要一种高通量制造方法，用于在多孔细胞培养板内直接打印以进行HTS。

已经做出一些努力以使用物理光掩模使水凝胶支架在整个孔板上同时发生光聚合。美国专利号10,073,346B2和美国专利公开号2016/0175800A1提供了将光掩模与填有可光聚合性预聚物溶液的孔板的底部对齐的示例。UV光源通过光掩模投射光，并根据光掩模上的模式在孔中选择性聚合和形成水凝胶。此外，使用可到达孔内的多探针插入件控制待聚合水凝胶支架的高度。这些系统的一个关键限制在于使用物理光掩模来定义水凝胶支架的几何构造。需要制造新的光掩模来测试水凝胶支架的新设计，并且通常需要多次迭代试验和错误来找出光掩模的优选设计。需要多个光掩模以实现水凝胶支架的复杂设计。光掩模的制造成本高昂，耗时且费力。这些问题凸显了基于光掩模的系统缺乏灵活性。此外，样品生产和项目进度容易受到新的光掩模制造造成的延迟的影响，特别是当需要多次迭代设计以优化水凝胶支架和组织构建体的生物制造时。

为了消除物理光掩模的使用，一些基于光的3D打印机已使用数字微镜设备(DMD)和液晶显示器(LCD)以将光学模式从储液器下方投射到储液器底部。储液器填有预聚物溶液以选择性聚合，并经由机动台在垂直方向上不断将已聚合部分从制造平面(即储液器底部)提升，以经由逐层沉积实现物体的3D打印。这种自下而上的3D打印机一次只能打印一个样品，与直接在多孔板中打印不兼容。在一个示例中，Chung等人的美国专利公开号2017/0087766A1公开了一种用于在多孔板的一个孔中直接打印的基于光的3D打印机的变体。例如，DMD芯片位于孔板上方，DMD上的光学模式通过光学透明探针从多孔板上方投射至多孔板的一个孔中的预聚物溶液。光学探针推开预聚物溶液，探针表面和孔的底部之间的距离定义了正在打印的水凝胶支架的高度。先前打印的水凝胶支架的部分粘在孔的底部，通过沿光路方向将板移离探针，可以实现3D打印。在这个示例中，水凝胶支架一次只在一个孔中打印。要在多孔板的所有孔中打印，一个孔接一个孔地打印，扫描整个多孔板，这将导致打印时间延长(例如，类似于上面讨论的基于挤压的3D打印技术)，并且可能需要复杂的系统设置(例如，3D中的机动台移动)。

本文公开了用于高通量，无掩模的制造聚合物支架和/或工程化组织构建体的方法和装置，其可用于细胞或组织培养以指导细胞或组织行为和功能以及用于药物筛选，诊断，和治疗。

本专利文件的本技术可以通过提供无掩模的高通量制造方法和使用数字显示设备在多孔板中制造3D聚合物支架和生物组织构建体的装置，以解决上述和其他技术挑战的方式实施。本技术的实施方式可包括数字显示设备(例如，DMD，LCD，和LED显示器)以控制或生成用于在制造中模式化的光学模式而不使用物理光掩模。将光学模式投射到多孔板中的目标孔，以选择性聚合并定义聚合物支架或生物组织构建体的形状，大小，和局部机械特性。多个多孔板与本技术的方法和装置兼容，并且可以包括例如具有单个或多个孔/室(例如，1，2，4，6，8，12，24，48，96，384等)的常规和定制的细胞/组织培养容器。本技术的制造方法和装置可实施为一次在多个(例如，一些或全部)目标孔内快速执行聚合物支架和组织构建体的直接打印，具有高可放大性(scalability)，再现性，支架几何构造的可定制性和精确控制，材料特性(例如，刚度)，细胞群和活力等。目标孔可以是多孔板中任意数量或分布的孔。例如，聚合物支架和/或组织构建体的直接打印可发生在部分孔板中，如半个板长乘以半个板宽(half a plate by half)，或四分之一板长乘以四分之一板宽(a quarter byquarter)等等。

本技术的实施方式可用于实现一个或多个优点，包括但不限于：(1)显著减少需要大量样品的应用(例如，HTS)的样品生产时间；(2)通过缩短重复样品的制造之间的间隔时间，减少重复样品之间的差异，提高实验结果的一致性；(3)与传统2D培养系统相比，提供3D聚合物支架和组织构建体，以实现更真实和准确的细胞/组织反应，从而复制体内反应和微环境；和/或(4)实现直接孔内打印，减少或消除转移和处理程序，从而消除干扰，损坏，或污染样品的风险。

示例实施例

本文描述了用于产生无掩膜且具有高通量的3D聚合物支架和生物组织构建体的本技术的制造方法和装置的示例实施例。图1A和1B分别示出了描绘高通量无掩模装置100和方法150的示例实施例的示意图，用于在目标表面上制造3D聚合物支架和/或工程化组织构建体(engineered tissue construction)。

如图1A所示，装置100包括用于产生探测光的光源110。装置100包括数字显示设备120，该数字显示设备120接收由光源110产生的探测光，并对接收的探测光进行空间调制来产生可被投射在表面上的探测光的可编程空间模式。数字显示设备120被配置为使得空间模式处于预定或预先设计的模式中。在装置100的一些示例实施例中，数字显示设备120包括数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，或发光二极管(LED)显示器。在一些实施方式中，例如，数字显示设备120可以用作光源110和用于创建空间模式以对发射光进行空间模块化的设备。

装置100包括用于持住目标表面或室的台130，其上是包含一种或多种材料的溶液，该一种或多种材料将基于与可控制地投射在溶液上的探测光的相互作用形成支架或构建体。在装置100的一些示例实施例中，台130包括机动台，用于持住目标表面或室，并将目标表面或室移动到特定平面，以投射携带预定空间模式的空间调制光。在一些实施方式中，例如，数字显示设备120可以用作平台(例如，台)，以持住接收由数字显示设备120修改(调制)的光的目标表面或室。

装置100包括控制单元140，其被耦接以控制光源110和数字显示设备120，来控制光源110以控制将携带预定空间模式的空间调制光引导至放置在台130上的目标表面或室处，从而引起在目标表面或室上的溶液的物理和/或化学变化以形成支架或构建体。

在多种实施方式中，例如，由装置100产生的支架或构建体是通过溶液中所含聚合物材料的光聚合产生的3D聚合物支架或生物组织的工程化构建体。例如，通过数字显示设备120的控制，装置100可操作以在由光源110生成的探测光中产生光学模式，其被投射到目标表面或室(例如，标准多孔板)，以选择性聚合并定义聚合物支架或生物组织构建体的形状，大小，以及局部机械特性。在多种示例中，用于制造聚合物支架或生物组织构建体的目标表面或室上的溶液材料可包括但不限于光聚合性单体溶液，光引发剂，细胞，纳米颗粒，和其他生物分子。

图1B显示了方法150的示例实施例的示意图，该方法150用于产生支架或构建体，具有高通量且不使用光掩模。方法150可以通过装置100的多种示例实施例来实现。如图1B的示意图所示，方法150包括通过光源发射探测光的过程160。方法150包括通过对探测光进行空间调制将空间模式的预定设计编码到光中的过程170。方法150包括将携带预定空间模式的编码光引导至目标表面或室(例如，多孔板的一个或多个孔)，以将在目标表面上或在目标室中的溶液暴露于编码光，使溶液经历物理和/或化学变化以产生支架或构建体的过程180。例如，过程180可将编码光引导到多孔板的一个或多个孔处，以暴露包含在不同孔中的溶液，从而引起各个孔中的每种溶液的光聚合以形成聚合物支架或组织构建体。

在一些实施例中，方法150可选地包括过程190(未示出)，以应用具有不同探针的插入件，这些探针被设计为在空间上分别对应于多孔板的不同孔，以在用溶液填入这些孔后，将探针引导到这些孔中，以控制每个孔的体积。在一些实施例中，方法150可选地包括将一个或多个溶液放置在目标表面或室中的过程，例如在实施过程160，170，180之前，以控制目标表面上或目标室中溶液的体积(例如，多孔板的各个不同孔)。

在装置100和方法150的一些实施方式中，例如，在其上制造3D聚合物支架和/或工程化组织构建体的目标表面或室可以包括标准的常规多孔板，例如，其可用于在多孔板的单孔或多孔的至少一部分内产生细胞/组织培养容器。

在装置和方法150的一些实施方式中，例如，可通过控制添加到目标表面或室的单体溶液的体积来控制在目标表面或室上形成的聚合物结构的厚度。例如，在多孔板中，通过改变添加到每个孔中的单体溶液的体积，可以在不同的孔板中创建多种聚合物支架或组织构建体。

在装置100和方法150的一些实施方式中，例如，对目标表面或室(例如，多孔板的孔的底部)进行预处理，以改善所制造的已聚合结构与目标表面的粘附。

在装置和方法150的一些实施方式中，例如，孔板的一个或多个孔的侧壁可以被配置为具有特殊设计的物理特征，以减少或消除在液体溶液表面和孔侧壁之间形成的弯液面。例如，在一些实施方式中，侧壁的表面可替代地或额外地进行化学处理以减少弯液面，例如，使用疏水或超疏水涂层。物理特征和化学涂层可组合以优选地减少或消除弯液面。

在装置100和方法150的一些实施方式中，例如，可将多孔板安装到在光学模式的投射方向(例如，垂直于多孔板平面)上移动的示例机动台130上，这使得聚焦的光学模式能够扫描贯穿目标孔中的预聚物溶液，以制造3D构建体。

在装置100的一些实施例中，例如，装置100可选地包括一个或多个光学组件115，例如，如透镜，扩散器和/或均质器，其可用于准直和/或扩展由光源110发射到数字显示设备120的光。在一些实施方式中，光学组件115可用于均匀分布(distribute)发射光的光强度。

在装置100的一些实施例中，例如，装置100可选地包括位于数字显示设备120和台130之间的投射光学模块125，以接收和操纵将携带预定空间模式的空间调制光投射至在台130上设置的目标表面或室上。

在装置100的一些实施例中，例如，装置100可选地包括探针插入模块135，该探针插入模块135被配置为放置在目标表面或室处，其中探针插入模块135用于控制要形成的聚合物支架或组织构建体的表面。在一些实施例中，探针插入模块135包括具有不同探针的多探针插入件，这些探针被设计为在空间上分别对应于多孔板的不同孔。例如，多探针插入件可用于控制已聚合结构的厚度。在一些实施例中，例如，探针插入模块135可包括间隔件，该间隔件用于额外地控制要形成的聚合物支架的高度。

在一些实施方式中，示例高通量，无掩模的制造装置100被配置为使用控制多孔板孔中的光聚合过程的一个或多个数字显示设备120(例如，DMD，LCD，和LED显示器)在多孔板中产生3D支架或生物组织构建体。例如，一个或多个数字显示设备120(例如，DMD，LCD，和LED显示器)控制或生成用于选择性光聚合的在多孔板底部上的光学模式的投射。在一些实施例中，装置100利用用于准直来自光源110和/或投射光学元件125的光的光学系统，用于帮助将携带由一个或多个数字显示设备120空间调制的预定空间模式的光投射到放置在台130上的目标表面或室的制造平面。光学模式可以经由控制单元140动态上传，控制，和改变，例如，控制单元140可以包括连接到一个或多个数字显示设备120的计算机。

有益的是，例如，控制单元140可以被配置为仅需要数字文件来产生空间模式，因此消除了物理光掩模的需要。在多种示例中，数字文件可以从计算机辅助设计(CAD)，计算机断层(CT)扫描，磁共振成像(MRI)扫描，和其他3D模型或2D模式中导出。将光学模式投射到目标表面或室(例如，多孔板的孔)以选择性聚合并定义聚合物支架或生物组织构建体的形状，大小，和局部机械特性。目标孔可以是多孔板中任意数量或分布的孔，例如，包括但不限于1，2，4，6，8，12，24，48，96，384等。

根据本技术的无掩模的，高通量制造装置的一个示例实施方式包括(i)光源，(ii)数字显示设备(其中，在一些实施例中，数字显示设备额外地或替代地用作光源)，(iii)光学透镜(可选地在一些实施例中使用)，(iv)持住目标表面或室(例如多孔板)的台(其中，在一些实施例中，该台为机动台)，(v)多探针插入件(可选地，在一些实施例中被用来控制聚合物支架的表面，其在一些实施例中，用具有间隔件的多探针插入件以额外地控制聚合物支架高度)，(vi)持住并对齐以上部件的壳体封闭件，防止光线泄漏并可能地提供无菌生物制造环境，以及(vii)控制单元，可实现在计算机系统上，用于控制操作和上述组件。

光源

光源110可包括合适的光源，该光源发出可引发与适合的光引发剂混合的预聚物溶液的光聚合的光。由光源110发射的光的波长的范围可以从紫外光到可见光，并且在一些实施方式中，由光源110发射的光的波长的范围可以进一步到近红外光。由光源110发射的光的物理参数，例如光强度，曝光时间和波长，由与光源110通信的控制单元140控制。在一些实施例中，光源110包括一个或多个适合于实施装置100和方法150的汞灯，LED，和LED阵列。

在一个示例实施例中，以特定波长(例如，365nm或405nm)发射光的LED显示器可发挥两种作用，例如，同时充当光源110和数字显示设备120，以调制投射到台上表面或室(例如，多孔板的孔)的光学模式。诸如透镜，扩散器和均质器之类的光学组件可用于装置100中，以准直和扩展来自单个汞灯的光，以及提供光强度的均匀分布。诸如透镜，光圈，反射镜(mirror)之类的光学组件可在装置100中用于将光学模式从数字显示设备120投射到台130上的目标表面或室(例如，多孔板的孔)。

数字显示设备

数字显示设备120用作光调制器，以生成投射到目标表面或室的光学模式，例如，可以投射到目标表面或室的全部或仅一部分，例如多孔板底部的全部或一部分。例如，由数字显示设备120提供的光调制使得预聚物溶液能够在每个目标孔中选择性光聚合。在数字显示设备120上生成的光学模式由控制单元140(例如，计算机)控制。控制单元140控制这些数字显示器上每个像素的物理参数，例如光“开(on)”或“关(off)”，光强度，曝光时间，和波长，以生成用于光聚合的动态光学模式。合适的数字显示设备包括数字微镜阵列设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，发光二极管(LED)显示器。

在一些实施例中，数字显示设备120可以包括一个或多个DMD芯片。DMD芯片可以包括数百万个反射式微镜阵列(例如，1920×1080，2560×1600)以及每个微镜可以由计算机控制在任何时刻“开”或“关”。例如，来自光源的光仅通过“开”微镜而被反射，并通过投射透镜被投射到多孔板以进行聚合。微镜还可以在“开”和“关”状态之间快速切换以创建灰色像素，并且可以由计算机控制切换频率以创建不同的灰度值，该灰度值可用于在每个像素处实现不同的曝光强度，从而导致已聚合结构的不同程度的局部交联密度和材料性质(例如，刚度和孔隙度)。

在一些实施例中，数字显示设备120可以包括一个或多个LCD。LCD利用液晶的光调制性质来生成光学模式。例如，与DMD芯片上的反射微镜不同，LCD上的液晶像素可以被单独控制，以决定有多少光可以穿透它们。LCD本身不发光，因此需要光源(也称为“背光”)来产生光聚合的光学模式。例如，光源可以是LED，电致发光板(ELP)，冷阴极荧光灯(CCFL)，热阴极荧光灯(HCFL)，外电极荧光灯(EEFL)，白炽灯泡，或其他背光源。光学组件，如扩散器和透镜，可用于从不均匀光源向LCD提供均匀照明。通过利用LCD技术，装置100可以显著降低基于本技术的制造成本。

在一些实施例中，数字显示设备120可以包括一个或多个LED。例如，与LCD和DMD相比，LED显示器可以自行发光，因此不需要专用光源。LED显示器使用LED阵列作为像素用于显示光学模式(即图像或视频)。LED显示屏的每个像素都是一个单独的LED，可以根据光强度，曝光时间和波长单独控制，从而生成用于光聚合的动态光学模式。用于此目的的合适的LED显示设备还可包括但不限于微型LED，有源矩阵有机发光二极管(AMOLED或OLED)和量子点发光二极管(QLED)。通过利用新兴的LED显示技术，可以极大地提高制造装置100的性能(例如，打印分辨率和再现性)，并且可以降低成本。

多孔板

如上所述，装置100和方法150可以在标准或定制多孔板的孔中产生支架或构建体。在本文中，多孔板泛指多种细胞/组织培养容器，包括，例如，具有单个或多个孔/室(例如，1，2，4，6，8，12，24，48，96，384等)的常规和定制的细胞/组织培养容器，研究人员熟悉并可与其已有的实验室设施一起使用，例如细胞/组织培养箱，成像显微镜，和HTS系统。在多种实施方式中，提供目标表面或室的多孔板可包括但不限于玻璃底多孔板(例如，MatTek玻璃底多孔培养板，Nunc^TM384孔光学底板(盖玻片底)，Greiner Sensoplate^TM玻璃底多孔板)；规则(regular)非玻璃底多孔板(例如，TC处理多孔板，/>96孔TC处理微孔板，Nunc^TM384孔光学底板(聚合物底)；室载玻片系统(例如，/>Lab-Tek^TMII室载玻片T^M系统)；玻璃底皮式培养皿(例如，MatTek玻璃底培养皿，Nunc^TM玻璃底培养皿，/>玻璃底培养皿)；和非玻璃底皮式培养皿(例如，Nunc^TMEasYDish^TM培养皿)。在一些实施方式中，持住器或接合器被设计为适合多孔板的多种设计，并使其在使用或实施制造装置100时可互换。

在一些实施方式中，可对孔的底部进行化学处理，以提高所聚合构建体与孔的底部的粘附。例如，多孔板的内玻璃底表面可以用甲基丙烯酸酯基团功能化，甲基丙烯酸酯基团可以与聚合物支架或组织构建体形成共价键。在一些实施方式中，玻璃底表面也可使用活性巯基功能化以达到相同目的。

例如，在实施方式中，用于孔壁的优选材料不应对用于引发光聚合的光的波长是光学透明的，以防止相邻孔之间的光干扰(例如，防止相邻孔漏光引起的不想要的光聚合)。

在一些实施方式中，可使用疏水涂层材料(例如，有机硅，含氟聚合物，EPDM，丁纳橡胶腈，和/或矿脂(petroleum jelly))对孔的侧壁进行功能化，以减少或消除孔中预聚物溶液形成的弯液面。

除了具有光滑侧壁的常规多孔板外，定制多孔板还考虑具有物理纹理(如台阶边缘)以改变接触角并减少弯液面。美国专利号9,261,454 B2中描述了可由装置100的示例实施例使用的具有物理纹理以帮助改变接触角和减少弯液面的定制多孔板的一些示例，通过引用将其并入作为本专利技术的一部分，用于所有目的。

此外，涂层和物理纹理可以组合用于同一个孔，以实现弯液面的优选减少。美国专利号9,931,633 B2中描述了可由装置100和方法150的示例实施例使用的一些示例，通过引用将其并入作为本专利技术的一部分，用于所有目的。

例如，通过控制添加至每个孔的液体体积，装置100可以控制预聚物溶液的高度，从而控制所打印聚合物支架或组织构建体的厚度。

多探针插入件

在装置100和方法150的一些实施例中，消除弯液面和控制已聚合结构厚度的技术包括使用可到达孔内的多探针插入件。可根据装置100和方法150的示例实施例使用的多探针插入件的一些示例在美国专利公开号2016/0175800 A1和美国专利号10,073,346 B2中描述，通过引用将其并入为本专利公开的一部分，用于所有目的。

在一些示例中，多探针插入件将多余的预聚物推到探针和孔侧壁之间的空间。与预聚物溶液接触的探针底面可以是光滑的，或者具有物理纹理，以塑造具有额外几何特征的聚合物。探针表面需要涂覆或由疏水材料(例如，有机硅，含氟聚合物等)组成，以便于与所打印聚合物支架分离。同一多探针插入件上的探针可以具有不同的大小，长度和形状。多探针插入件将从开放孔板的顶部开始，以便探针可以到达多孔板内部。可在多探针插入件和多孔板之间添加间隔件，以提供对探针表面和孔底部之间距离的额外控制(例如，聚合区域的高度)。间隔件可与提供对间隔距离的动态控制的致动器耦接。

机动台

如上所述，在一些实施例中，台130包括机动台，其可控制含有溶液的目标表面或室在多个方向(例如，x，y，和z轴)上的移动。例如，可将多孔板安装到在光学模式的投射方向(例如，垂直于多孔板平面)上移动的机动台上，这使得聚焦的光学模式能够扫描贯穿目标孔中的预聚物溶液以制造3D构建体。在3D支架或构建体制造过程(例如，方法150的实施方式)中，初始光学模式可首先聚焦在目标孔的底部。示例机动台130沿光束方向将多孔板朝向数字显示设备120(生成光学模式的地方)移动，使得以下光学模式的焦平面可以移动贯穿目标孔中预聚物溶液的预设高度，以创建3D构建体。

持住器/壳体单元

在一些实施例中，例如，装置100包括持住器或壳体单元，用于持住和对齐装置100的组件。例如，持住器或壳体可用于对齐光源110，可选的光学组件115，和数字显示设备120(以及，例如，可选的投射光学元件125)。持住器或壳体还可确保使设置目标表面或室(例如，多孔板)的位置的台位于适合的位置，例如，使光学模式可以被投射到目标孔的底部，以实现优选的聚合。此外，例如，持住器或壳体可确保示例多探针插入件装配在相对于多孔板的适合位置。

在一些实施例中，例如，持住器或壳体被配置为阻止光泄漏的封闭件，其可保护装置100的操作员免受不想要的曝光。在一些实施方式中，装置100可以用生物安全级材料完全封闭，以保持内部空间无菌并降低污染风险。

计算机和控制器系统

装置100的可控器件连接到和/或嵌入到计算系统，该计算系统可由控制单元140集中控制。控制单元140可以实现在计算机上，以控制光源110(例如，控制曝光强度和时间，波长)，控制数字显示设备120(例如，控制各个像素，以及控制示例机动台130(例如，控制目标表面或室在特定平面上的位置设置)。在包括多探针插入件的实施方式中，例如，控制单元140可被配置为控制间隔件/致动器。在装置100的示例高级版本中，器件还可配备有传感器，以测得和检查部件是否处于正确设置和位置。在此类实施例中，传感器连接到控制单元140(例如，计算机系统)以报告错误或确认装置100的操作。

图1C示出了控制单元140的示例实施例的框图，其可与用于多种实施方式的装置100的组件电接合(interface)。例如，在多种实施方式中，控制单元140可操作地存储和执行软件应用以实现多种制造协议算法和/或实现高通量，无掩模的制造装置100的多种功能。

在多种实施方式中，控制单元140可以被实现为便携式信号处理和/或计算设备，其可以包括移动通信设备，例如智能手机，平板电脑或可穿戴设备，如智能手表，智能眼镜等；和/或，控制单元140可以被实现为平稳信号处理和/或计算设备，例如台式或膝上型计算机。在一些实施例中，控制单元140包括耦接到光源110，数字显示设备120，和/或台130的加密狗(dongle)，以无线连接到控制单元140的计算组件(例如，数据处理单元)。

控制单元140包括数据处理单元149，该数据处理单元149包括处理数据的处理器141，与处理器141通信以存储数据的存储器142，以及将处理器141和/或存储器142接合到其他模块，单元或设备(包括其他外部计算设备)的输入/输出单元(I/O)143。例如，处理器141可以包括中央处理单元(CPU)或微控制器单元(MCU)。例如，存储器142可以包括并存储处理器可执行代码，当处理器执行该代码时，数据处理单元149被配置为执行多种操作，例如，例如接收信息，命令，和/或数据，处理信息和数据，以及向另一设备传输或提供信息/数据。在一些实施方式中，数据处理单元149可以将原始或处理后的数据传输到可经由包括一个或多个远程计算处理设备(例如，云中的服务器)的互联网(称为“云”)访问的计算机系统或通信网络。为了支持数据处理单元149的多种功能，存储器142可以存储信息和数据，例如指令，软件，值，图像，以及处理器处理或参照的其他数据。例如，多种类型的随机存取存储器(RAM)设备，只读存储器(ROM)设备，闪存设备，和其他合适的存储介质可用于实现存储器142的存储功能。

在一些实施例中，控制单元140可选地包括无线通信单元145，例如用于传输存储和/或处理后的数据的无线发射器或用于传输和接收数据的无线收发器(Tx/Rx)。数据处理单元149的I/0143可将数据处理单元149接合到无线通信单元145，以利用与典型数据通信标准兼容的多种类型的有线或无线接口，例如，其可用于数据处理单元149经由无线发射器/接收器(Tx/Rx)单元与装置100和/或其他设备的组件的通信，该无线发射器/接收器(Tx/Rx)单元例如，包括但不限于蓝牙，蓝牙低能耗，Zigbee，IEEE 802.11，无线局域网(WLAN)，无线个人区域网(WPAN)，无线广域网(WWAN)，WiMAX，IEEE 802.16(微波接入全球互通(WiMAX))，3G/4G/LTE/5G蜂窝通信方法，NFC(近场通信)，和并行接口。

在一些实施例中，控制单元140可选地包括显示单元147，其可包括诸如显示屏之类的视觉显示器，诸如扬声器之类的音频显示器，或其他类型的显示器或其组合。数据处理单元149的I/O 143还可以与其他外部接口，数据存储源，和/或视觉或音频显示设备等接合，以获得和转移控制单元140或外部设备的可由处理器141处理，存储在存储器142中，或展示在输出单元(例如，显示单元147)上的数据和信息。例如，显示单元147可以被配置为例如经由I/O 143与数据处理单元149进行数据通信，以提供产生软件应用的用户界面的视觉显示，音频显示，和/或其他感官显示。在一些示例中，显示单元147可以包括多种类型的屏幕显示器，扬声器，或打印接口，例如，包括但不限于发光二极管(LED)，或液晶显示器(LCD)监视器或屏幕，作为视觉显示器的阴极射线管(CRT)；作为音频显示器的音频信号转换器装置；和/或墨粉，液体喷墨，固体油墨，染料升华，无墨(例如，热或UV)打印装置等。

装置100的示例实施例

示例1：DMD+多探针插入件+电动工作台

图1D-1F示出了根据使用DMD作为数字显示设备120的装置100的高通量，无掩模的制造装置101的示例实施例(示例1)。如图1D所示，装置101包括光源111，DMD芯片122，和机动台133。装置101包括控制单元140，例如，其可以由与光源111，DMD芯片122，和机动台133通信的计算机设备来实现。

光源111可包括任何发射可引发与适合光引发剂混合的预聚物溶液的光聚合的光的光源。例如，由光源111发射的光的波长的范围可以从UV到可见光甚至到近红外光。光源111的物理参数，例如光强度，曝光时间和波长，由连接到光源111的计算机(未示出)控制。在一些实施例中，光源111包括一个或多个汞灯，LED，或LED阵列。来自光源111的光可以通过光学元件组件(未示出)被准直并投射到DMD芯片122。由DMD芯片122反射的光被投射到位于机动台133上的多孔板134中的目标孔的底部，其中DMD芯片122对光进行空间调制以将预定义的光学模式投射到多孔板134中的孔的目标平面上。在实施方式中，例如，只有处于“开”状态的微镜将向多孔板134反射光用于选择性光聚合。在装置101的示例实施例中，投射光学元件126可用于将来自DMD芯片122的空间调制光扩展并投射到位于机动台133上的多孔板134中的目标孔的底部。可使用机动台133提供对贯穿多孔板134的孔中的预聚物溶液的光学模式的动态扫描以进行3D制造。

DMD芯片122上的光学模式可由计算机上传的数字文件控制；因此，例如，打印过程被数字化。数字文件可以从任何3D模型或2D图像文件中导出，例如计算机辅助设计(CAD)，计算机断层(CT)扫描，和磁共振成像(MRI)扫描。

在一些实施方式中，将多孔板134安装到机动台133上，该机动台133可在垂直于多孔板平面的方向上移动(箭头139所示)。来自光源的光被DMD芯片的“开”像素反射(例如，图1F中的示例模式127A，127B，127C中所示的白色特征)，并被投射以覆盖部分或全部多孔板(即，目标孔)以用于光聚合。

图1E示出了可在装置101的示例实施例中实现的多探针插入件136的示例实施例。多探针插入件可用于控制多孔板134的孔中预聚物溶液的高度，因此可控制已聚合结构的高度。例如，多探针插入件136可用于消除弯液面并控制用于制造的预聚物溶液的高度。探针可到达多孔板134内部。在实施方式中，例如，探针推开预聚物溶液，并与用于聚合的想要的预聚物高度留有间隙。

图1F示出了每个孔具有相同设计的阵列的光学模式127A，具有多种设计(形状和尺寸)的阵列的光学模式127B，以及具有多种设计和多种灰度值的阵列的光学模式127C。如图1F所示，由于过程的数字化特点，可以容易地改变光学模式。光学模式的这种变化包括模式的形状和大小以及各个像素的灰度值。例如，光学模式127A和127B展示了在光学模式的同一面板上改变设计(形状和尺寸)的灵活性。此外，例如，通过以多种频率快速切换各个微镜，装置101还可以控制每个像素的灰度值，该灰度值定义了来自每个像素的曝光量，如示例模式127C所示，从而控制已聚合结构的局部交联密度和材料性质。

在一些实施方式中，例如，为了操作装置101，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板134中的目标孔。其次，将多探针插入件136安装在多孔板134上以控制预聚物液体高度。将多孔板134安装到机动台133上。想要的光学模式由计算机上传到DMD芯片122。计算机还控制光源111和机动台133。当使用装置101的聚合物支架或构建体制造方法要开始时，光学模式首先被聚焦在多孔板134中的目标孔的底部。对于动态3D制造，例如，机动台133可沿光的方向移动多孔板134，以便光学模式可扫描贯穿预聚物的想要的高度以诱导选择性光聚合并制造3D结构。在制造之后，从多孔板134移除多探针插入件136，并且产生的3D结构可以留在多孔板134中。为了制造多材料结构，例如，第一预聚物溶液的未聚合部分将在该步骤中被去除，并且随后可将第二预聚物溶液添加到目标孔中。相同的多探针插入件136(用于相同高度控制)或不同的多探针插入件136’(用于不同高度控制)可被再次安装到多孔板134上，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，计算机还向DMD芯片122加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134从机动台133移除，并可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

上文参考图1D所述的制造装置101是本技术的用于制造可直接处于多孔板中的支架或构建体的高通量，无掩模的制造装置的一个示例实施例。在图1D的示例中，装置101包括光源111，数字显示设备(作为DMD芯片122)，投射光学模块(作为投射光学元件126)，用于设置多孔板134位置的机动台133，可选的多探针插入件136，和控制模块，其可包括计算机。在一些实施例中，装置101包括壳体封闭件，用于持住和对齐这些部分，并将光学模式定向到多孔板134。光源111可被操作以发射光，该光可引发与适合的光引发剂混合的预聚物溶液的光聚合，并且在一些应用中，合适的光的波长范围可从UV到可见光，甚至进一步到近红外光。装置101包括DMD芯片122，其在光中生成光学模式，其可经由投射光学模块(投射光学元件126)被操作以将光学模式从DMD芯片122投射并聚焦到多孔板134。可以控制机动台133沿光路方向移动多孔板134，以允许光学模式扫描贯穿预聚物溶液进行3D制造。控制模块(例如，计算机)可用于控制多种组件，包括光源111，DMD芯片122，和机动台133。在一些实施方式中，控制模块可用于提供对光源的光强度，曝光时间和/或光学波长，DMD芯片122上的光学模式，以及机动台133的运动的动态控制，以实现多孔板134中的动态3D制造。多探针插入件136可以被构造以消除，最小化或显著减少预聚物溶液的弯液面，并控制用于3D制造的预聚物溶液的高度。在一些实施方式中，多探针插入件136上的探针可被设计为具有不同的长度和大小。多孔板134可被设计为在不同应用中具有一系列不同数量的孔/室，例如1，2，4，6，8，12，24，48，96，384等。

直接在多孔板134中制造聚合物支架或组织构建体可使用一种单一的预聚物溶液来制造均匀结构，或将多种材料顺序添加至多孔板的以制造多材料异质结构。用于制造的材料可包括但不限于光聚合性单体溶液，光引发剂，细胞，纳米颗粒，和其他生物分子。

图1G示出了根据图1D所示的装置101的高通量，无掩模的制造装置101A的示例实施例。如图1G所示，在该示例中，装置101A包括光源111，DMD芯片122，和可选的一个或多个光学组件115的示例实施例，其包括透镜115A。装置101A包括用于持住多孔板134的台130(未示出)，和控制单元140(未示出)，例如，其可以由与光源111，DMD芯片122，和台133(例如，机动台)通信的计算机设备来实现。装置101A的特征在于投射光学元件126的示例实施例。在该示例中，投射光学元件包括第一透镜126A，反射镜126B，和第二透镜126C。第一透镜126A的位置被设置在光路中，以接收来自DMD芯片122的空间调制光，以将光聚焦在反射镜126B上，以被反射在将空间调制光投射到目标表面或室(例如，多孔板134)上的第二透镜126C上。图1G所示的示例实施例示出了作为凸透镜的第一透镜126A，和作为凹透镜的第二透镜126C。应当理解，可选的投射光学元件126的其它光学配置可用于装置101A以及装置100的其它实施例中。

示例2：DMD+多探针插入件-电动工作台

图2示出了根据装置100的高通量，无掩模的制造装置201的示例实施例(示例2)，其使用DMD作为数字显示设备120，但不包括机动台。示例2中的装置201是示例1中的装置101的示例实施例的衍生产品，但示例2中的装置201中没有机动台133。因此，在示例2中，光学模式的焦平面被预设为位于多孔板134的一个位置(例如，目标孔的底部)。装置201可用于制造不需要沿光路方向进行设计变化的相对简单的结构。操作过程与示例1类似，只是没有对机动台进行动态控制。

示例3：DMD+液体体积控制+机动台

图3A-3C示出了根据装置100的高通量，无掩模的制造装置301的示例实施例(示例3)，该装置100使用DMD作为数字显示设备120，但不包括多探针插入件。示例3中的装置301是示例1中装置101的示例实施例的衍生产品，其中示例3中的装置301通过控制液体体积来控制已聚合结构高度而不使用多探针插入件136。每个孔中预聚物溶液的高度与添加到孔中的预聚物溶液的体积直接相关。例如，装置301的机动台133可用于贯穿用于3D制造的预聚物溶液提供光学模式的动态扫描。

图3B和3C示出了说明使用多孔板134的示例变体的示意图。图3B的示意图示出填有预聚物溶液331的多孔板134的一个规则孔334A的放大横截面视图。弯液面336形成在液体表面的孔334A的侧壁附近。液体高度由填入每个孔的体积所控制。图3C的示意图示出填有预聚物溶液331的定制或改造孔334B的放大横截面视图。改造孔334B的孔壁具有消除弯液面的物理特征(例如，台阶特征)。图3C的示意图示出了使用多孔板134的经特殊改造的孔334B的变体，该多孔板134的经特殊改造的孔334B在孔334B的侧壁(例如，台阶边缘)上具有物理特征332，以减少或消除弯液面。在图3B和3C的两种变体中，侧壁表面可进一步涂覆涂层材料(例如，疏水或超疏水涂层，例如有机硅，含氟聚合物，氟化涂层，EPDM，丁纳橡胶腈，和/或矿脂)，以进一步减少或消除弯液面。

在制造装置301的示例操作中，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板133中的目标孔(例如，孔334A和/或孔334B)。精确控制每个孔中预聚物溶液的体积，以提供想要的预聚物液体高度。将多孔板134安装到机动台133上。想要的光学模式由计算机上传到DMD芯片122。计算机还控制光源111。光学模式被聚焦在多孔板134中目标孔的底部。为了制造多材料结构，第一预聚物溶液的未聚合部分将在该步骤中被去除，并且随后可将第二预聚物溶液添加到目标孔中。精确控制第二预聚物溶液的体积，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，DMD芯片122加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134从机动台133移除，并可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

上文参考图3A所述的制造装置301可包括多种辅助特征，如装置101和201的示例实施例中所述。例如，可以提供壳体封闭件以对齐这些部分并将光学模式定向到多孔板134。多孔板134可以是在孔壁上没有物理或化学表面改造的规则多孔板，并且可以使用侧壁上的物理特征(例如，物理特征332)定制(例如，台阶边缘)，以减少或消除弯液面。在一些实施方式中，例如，多孔板134的侧壁表面可涂覆有涂层材料(例如，疏水或超疏水涂层，例如有机硅，含氟聚合物，氟化涂层，EPDM，丁纳橡胶腈，和/或矿脂)，以减少或消除弯液面。

示例4：DMD+液体体积控制-机动台

图4示出了根据装置100的高通量，无掩模的制造装置401的示例实施例(示例4)，该装置100使用DMD作为数字显示设备120，但不包括多探针插入件，也不包括机动台。示例4中的装置401是示例3中的装置301的示例实施例的衍生产品，但在示例3的装置301中没有机动台133。因此，在示例4中，光学模式的焦平面被预设为位于多孔板134的一个位置(例如，目标孔的底部)。装置401可用于制造相对简单的结构，这些结构不需要沿光路方向的设计更改。操作程序与示例1和3类似，只是没有对机动台进行动态控制。

示例5：LCD+多探针插入件

图5A-5C示出了根据使用LCD作为数字显示设备120的装置100的高通量，无掩模的制造装置501的示例实施例(示例5)。如图5A所示，装置501包括光源511和LCD 522。装置501包括控制单元140，例如，该控制单元140可以由与光源511和LCD 522通信的计算机设备来实现，其可以用作平台(例如，台)放置多孔板134，以接收由LCD 522投射的调制光，用于多孔板134的这些孔中溶液的选择性聚合，以产生3D支架或构建体。在装置501的一些实施例中，如图5A所示，装置501包括投射光学元件515，以将光源511发射的探测光扩展并引导到LCD 522上。在一些示例实施例中，可选的投射光学元件515可以包括一个或多个透镜，例如一个或多个凸透镜和/或一个或多个凹透镜，以可控地将来自光源511的光引导到LCD 522上。

由LCD 522“过滤”(调制)的光学模式被投射到多孔板134的底部以进行选择性聚合。LCD 522上的光学模式可以由计算机上传的数字文件控制；因此，打印过程是数字化的。数字文件可以从任何3D模型/文件中导出，例如计算机辅助设计(CAD)，计算机断层(CT)扫描，和磁共振成像(MRI)扫描。

图5B示出了可在装置501的示例实施例中实现的多探针插入件136的示例实施例。多探针插入件136可用于控制多孔板134的孔中预聚物溶液的高度，因此可控制已聚合结构的高度。例如，多探针插入件136可用于消除弯液面并控制用于制造的预聚物溶液的高度。探针可到达多孔板134内部。在实施方式中，例如，探针推开预聚物溶液，并与用于聚合的想要的预聚物高度留有间隙。

图5C示出了每个孔具有相同设计的阵列的光学模式527A，具有多种设计(形状和尺寸)的阵列的光学模式527B，以及具有多种设计和多种灰度值的阵列的光学模式527C。如图5C所示，由于过程的数字化特点，可以容易地改变由LCD 522可产生的光学模式。光学模式的这种变化包括模式的形状和大小以及各个像素的灰度值。例如，光学模式527A和527B展示了在光学模式的同一面板上改变设计(形状和尺寸)的灵活性。此外，例如，切换每个像素的液晶方向，装置501还可以控制每个像素的灰度值，该灰度值定义了来自每个像素的曝光量，如示例模式527C所示，从而控制已聚合结构的局部交联密度和材料性质。

在一些实施方式中，例如，为了操作装置501，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板134中的目标孔。其次，将多探针插入件136安装在多孔板134上以控制预聚物液体高度。将多孔板安装到LCD 522的上方。所需光学模式由计算机上传到LCD 522。计算机还控制光源511。当使用装置501的聚合物支架或构建体制造方法要开始时，光学模式被聚焦在多孔板134中的目标孔的底部。在制造之后，从多孔板134移除多探针插入件136，并且产生的3D结构可以留在多孔板134中。为了制造多材料结构，例如，第一预聚物溶液的未聚合部分将在该步骤中被去除，并且随后可将第二预聚物溶液添加到目标孔中。相同的多探针插入件136(用于相同高度控制)或不同的多探针插入件136’(用于不同高度控制)可被再次安装到多孔板134上，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，计算机还向LCD522加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

示例6：LCD+液体体积控制

图6A-6C示出了根据装置100的高通量，无掩模的制造装置601的示例实施例(示例6)，该装置100使用LCD作为数字显示设备120，但不包括多探针插入件，也不包括机动台。示例6中的装置601是示例5中的装置501的示例实施例的衍生产品，其中通过控制液体体积而不使用多探针插入件136来控制已聚合结构高度。多孔板134的每个孔中预聚物溶液的高度与被添加到孔中的预聚物溶液的体积直接相关。

图6B和6C示出了说明使用多孔板134的示例变体的示意图。图6B的示意图示出填有预聚物溶液631的多孔板134的一个规则孔634A的放大横截面视图。弯液面636形成在液体表面的孔634A的侧壁附近。液体高度由填入每个孔的体积所控制。图6C的示意图示出填有预聚物溶液631的定制或改造孔634B的放大横截面视图。改造孔634B的孔壁具有消除弯液面的物理特征(例如，台阶特征)。图6C的示意图示出了使用多孔板134的经特殊改造的孔634B的变体，该多孔板134的经特殊改造的孔634B在孔634B的侧壁(例如，台阶边缘)上具有物理特征632，以减少或消除弯液面。在图6B和6C的两种变体中，侧壁表面可进一步涂覆涂层材料(例如，疏水或超疏水涂层，例如有机硅，含氟聚合物，氟化涂层，EPDM，丁纳橡胶腈，和/或矿脂)，以进一步减少或消除弯液面。

在操作装置601的一些实施方式中，例如，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板134中的目标孔。精确控制每个孔中预聚物溶液的体积，以提供想要的预聚物液体高度。将多孔板134安装到LCD 522的上方。想要的光学模式由计算机上传到LCD 522。计算机还控制光源511。光学模式被聚焦在多孔板134中目标孔的底部。为了制造多材料结构，例如，第一预聚物溶液的未聚合部分可以在该步骤中被去除，并且随后可将第二预聚物溶液添加到目标孔中。精确控制第二预聚物溶液的体积，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，LCD522加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

示例7：LED显示屏+多探针插入件

图7A-7C示出了根据使用LED显示器作为数字显示设备120的装置100的高通量，无掩模的制造装置701的示例实施例(示例7)。如图7A所示，装置701包括LED显示器722，其可作为(i)光源来生成和调制光和(ii)平台(例如，台)来放置多孔板134，以接收LED显示器722投射的调制光，用于多孔板134的这些孔中溶液的选择性聚合，以产生3D支架或构建体。装置701包括控制单元140，例如，其可以由与LED显示器722通信的计算机设备来实现。

例如，由LED显示器722产生和发射的光模式被投射到多孔板134的底部以进行选择性聚合。LED显示器722上的光学模式可以由计算机上传的数字文件控制；因此，打印过程是数字化的。数字文件可以从任何3D模型/文件中导出，例如计算机辅助设计(CAD)，计算机断层(CT)扫描，和磁共振成像(MRI)扫描。

图7B示出了可在装置701的示例实施例中实现的多探针插入件136的示例实施例。多探针插入件136可用于控制多孔板134的孔中预聚物溶液的高度，因此可控制已聚合结构的高度。例如，多探针插入件136可用于消除弯液面并控制用于制造的预聚物溶液的高度。探针可到达多孔板134内部。在实施方式中，例如，探针推开预聚物溶液，并与用于聚合的所需预聚物高度留有间隙。

图7C示出了每个孔具有相同设计的阵列的光学模式727A，具有多种设计(形状和尺寸)的阵列的光学模式727B，以及具有多种设计和多种灰度值的阵列的光学模式727C。如图7C所示，由于过程的数字化特点，可以容易地改变LED显示器722可产生的光学模式。光学模式的这种变化包括模式的形状和大小以及各个像素的灰度值。例如，光学模式727A和727B展示了在光学模式的同一面板上改变设计(形状和尺寸)的灵活性。此外，例如，通过控制LED显示器722的每个LED像素发射的光强度，装置701还可以控制每个像素的灰度值，该灰度值定义了来自每个像素的曝光量，如示例模式527C所示，从而控制已聚合结构的局部交联密度和材料性质。

在一些实施方式中，为了操作装置701，例如，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板134中的目标孔。其次，将多探针插入件136安装在多孔板134上以控制预聚物液体高度。将多孔板134安装到LED显示器722上方。想要的光学模式由计算机上传到LED显示器722。当制造开始时，光学模式被聚焦在多孔板134中的目标孔的底部。在制造之后，从多孔板134移除多探针插入件136，并且3D结构将留在多孔板134中。为了制造多材料结构，例如，第一预聚物溶液的未聚合部分在该步骤中被去除，并且随后将第二预聚物溶液添加到目标孔中。相同的多探针插入件136(用于相同高度控制)或不同的多探针插入件136’(用于不同高度控制)可被再次安装到多孔板134上，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，向LED显示器722加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

上文参考图7A所述的制造装置701是本技术的用于制造可直接处于多孔板中的支架或构建体的高通量，无掩模的制造装置的一个示例实施例。在图7A的示例中，装置701包括将光投射到多孔板134上并持住多孔板134的LED显示设备722，多探针插入件136，和控制单元140(未示出)，该控制单元140可以包括计算机。在实施方式中，可以使用上面公开的多种特征。LED显示器722被设计为发射光，该光可引发与适合的光引发剂混合的预聚物溶液的光聚合，包括，例如，发射从UV到可见光甚至进一步到近红外光的光。

示例8：LED显示屏+液体体积控制

图8A-8C示出了根据装置100的高通量，无掩模的制造装置801的示例实施例(示例8)，该装置100使用LED显示器作为数字显示设备120，但不包括多探针插入件。示例6中的装置601是示例7中的装置701的示例实施例的衍生产品，其中通过控制液体体积来控制已聚合结构高度而不使用多探针插入件136。多孔板134的每个孔中预聚物溶液的高度与被添加到孔中的预聚物溶液的体积直接相关。

图8B和8C示出了说明使用多孔板134的示例变体的示意图。图8B的示意图示出填有预聚物溶液831的多孔板134的一个规则孔834A的放大横截面视图。弯液面836形成在液体表面的孔834A的侧壁附近。液体高度由填入每个孔的体积所控制。图8C的示意图示出填有预聚物溶液831的定制或改造孔834B的放大横截面视图。改造孔834B的孔壁具有消除弯液面的物理特征(例如，台阶特征)。图8C的示意图示出了使用多孔板134的经特殊改造的孔834B的变体，该多孔板134的经特殊改造的孔834B在孔834B的侧壁(例如，台阶边缘)上具有物理特征832，以减少或消除弯液面。在图8B和8C的两种变体中，侧壁表面可进一步涂覆涂层材料(例如，疏水或超疏水涂层，例如有机硅，含氟聚合物，氟化涂层，EPDM，丁纳橡胶腈，和/或矿脂)，以进一步减少或消除弯液面。

在操作装置801的一些实施方式中，例如，首先用适量的预聚物溶液填入多孔板134中的目标孔。精确控制每个孔中预聚物溶液的体积，以提供想要的预聚物液体高度。将多孔板134安装到LED显示器722上方。想要的光学模式由计算机上传到LED显示器722。计算机控制LED显示器722的光源输出。光学模式被聚焦在多孔板134中目标孔的底部。为了制造多材料结构，例如，第一预聚物溶液的未聚合部分将在该步骤中被去除，并且随后第二预聚物溶液将被添加到目标孔中。精确控制第二预聚物溶液的体积，以控制新预聚物溶液的高度。然后，除了第一3D结构之外，LED显示器722加载用于制造新结构部分的新光学模式设计。可以重复该过程来制造多材料结构。制造完成后，随后将带有3D制造样品的多孔板134可用于后续研究，例如成像，培养，实验药物或分析等。

示例应用

聚合物支架的高通量制造

本技术的一个示例应用是以高通量方式在多孔板中直接制造聚合物支架(例如，水凝胶支架)。这种制造可以同时发生在板中的所有孔或一些目标孔。聚合物支架的特征可以在于具有微米级分辨率的多种形状，如图9中示出的图像所示。

图9示出了一组图像，描绘了具有多种形状的示例聚合物支架。图9的图像中所示的示例形状包括花形，螺旋形，金字塔形，以及脉管网络。随后可以在这些支架上接种和培养细胞，用于生物学研究和药学应用。支架的几何构造可以指导细胞行为(例如，增殖和分化)和功能。例如，细胞可以长成类器官来实验药物。它还可用于研究细胞与其他细胞类型或基质材料之间的相互作用。除了几何控制之外，聚合物支架的材料特性(例如，刚度和孔隙率)可以使用本技术的装置进行区域性调整和控制。此类材料特性也可用于指导细胞行为和功能。由于这些聚合物支架直接打印在多孔板中，因此它们可以容易地适应制药工业中广泛使用的高通量筛选系统。

组织构建体的高通量打印

本技术的另一个示例应用是使用与生物材料混合的多种细胞类型来制造富含细胞的组织构建体。这种制造可以同时发生在板中的所有孔或一些目标孔。多步骤制造可用于制造包含多种细胞类型的组织构建体，并精确控制异质细胞分布。例如，如图10A-10C中的示例示意图和图像所示，可以制作具有多种细胞和材料成分的仿生肝组织，以模拟原生肝组织。

图10A显示了肝小叶的示意图。图10B示出了用于两步生物打印过程聚合小叶结构(左)和脉管结构(右)的示例灰度数字模式的示意图。白色区域表示光聚合的光反射模式。图10C示出了示例荧光图像1010，1020，1030和亮场图像1040，其中示出了一种生物材料成分中荧光标记的肝细胞(绿色，顶部图像1010)和另一种生物材料成分中的支持细胞(红色，图像1020，1030)。图10C中图像所示的比例尺为500μm。

类似地，基于本技术的制造可用于多孔板中多种3D组织模型的高通量制造，例如心脏组织，肾组织，肺组织，神经组织，肌肉组织，软骨组织，等。此类组织产品的特征可以在于具有仿生3D几何形状以及模拟原生组织和体内环境的细胞成分，这是常规2D细胞培养无法实现的。这些3D组织产品可用于药物筛选，治疗，诊断以及生物学研究等应用。由于这些3D组织直接打印在多孔板上，因此它们与制药工业广泛使用的高通量筛选系统具有内在的兼容性。

示例

以下示例说明了本技术的几个实施例。本技术的其他示例性实施例可在以下所列示例之前或以下所列示例之后呈现。

在根据本技术(示例A1)的一些实施例中，用于使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体的支架制造设备包括(i)光源，用于产生探测光，(ii)数字显示设备，用于接收探测光并对接收到的探测光进行空间调制以在探测光上产生预定空间模式，(iii)投射光学模块，其位于接收携带预定空间模式的探测光并投射探测光的位置；(iv)机动台，用于持住包括不同孔的多孔板，并相对于投射光学模块移动多孔板；(v)具有不同探针的多探针插入件，这些探针被设计为分别在空间上对应于所述多孔板的不同孔；和(vi)控制模块，其被耦接以控制光源，显示设备和机动台，以将携带预定空间模式的探测光引导至孔，以使孔中的溶液光聚合以形成支架或组织构建体。

在根据本技术(示例A2)的一些实施例中，用于使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体的支架制造设备包括(i)包括发光二极管(LED)的阵列的光模式设备，其中每个LED可操作以产生探测光束，以及不同的LED被控制以产生探测光束的阵列，以在探测光束上共同携带预定的空间模式；其中，携带预定空间模式的光可被投射在多孔板上，该多孔板包括位于接收来自光模式设备的探测光束的位置的不同孔；(ii)具有不同探针的多探针插入件，这些探针被设计为分别在空间上对应于多孔板的不同孔；以及(iii)控制模块，其被耦接以控制光模式设备，以将携带预定空间模式的探测光束引导至孔，以使孔中的溶液光聚合以形成支架或组织构建体。

在根据本技术(示例A3)的一些实施例中，一种使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体而不使用光掩模的方法包括将溶液分别放置在多孔板的不同孔中，以控制孔中溶液的体积；以及将携带预定空间模式的探测光引导至多孔板，以使不同孔中的溶液暴露于探测光下，从而使孔中的溶液光聚合以形成支架或组织构建体。

示例A4包括示例A3的方法，其中该方法还包括使用具有不同探针的多探针插入件，这些探针被设计为分别在空间上对应于多孔板的不同孔，以在用溶液填入孔后，将探针引导到孔内，以控制每个孔的体积。

在根据本技术(示例B1)的一些实施例中，一种用于制造支架或构建体的高通量，无掩模的制造装置，包括：产生探测光的光源；数字显示设备，用于接收所述探测光并对接收到的探测光进行空间调制以在空间调制光中产生可编程的空间模式；持住目标表面或室的台，其中所述目标表面或室包含溶液，该溶液包括基于与投射在所述溶液上的所述空间调制光的相互作用而形成支架或构建体的材料；和与所述光源和所述数字显示设备通信的计算机控制设备，用于控制所述溶液的变化，该溶液包括形成所述支架或构建体的材料。

示例B2包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述可编程空间模式是由所述计算机控制设备以数字格式提供给所述数字显示设备的预定或预先设计的模式。

示例B3包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述目标表面或室包括单孔板或多孔板。

示例B4包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述多孔板包括标准多孔板，所述标准多孔板包括2，4，6，8，12，24，48，96，或384个孔。

示例B5包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述数字显示设备包括数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，或发光二极管(LED)显示器中的一个或多个。

示例B6包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述数字显示设备可操作地作为所述光源，以产生探测光并对其进行空间模块化。

示例B7包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述台包括机动台，用于持住所述目标表面或室，并将所述目标表面或室移动到特定平面，以投射携带所述可编程空间模式的所述空间调制光。

示例B8包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述数字显示设备可操作地作为持住所述目标表面或室以接收所述空间调制光的所述台。

示例B9包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述计算机控制设备被配置为控制所述光源和所述数字显示设备的一个或多个操作，以调节所述溶液的光聚合，所述溶液包括在所述目标表面或室上形成所述支架或构建体的材料。

示例B10包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述形成的支架或构建体包括3D聚合物支架或生物组织的工程化构建体。

示例B11包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述装置被配置为选择性聚合并定义所述聚合物支架或生物组织构建体的形状，尺寸，或机械特性中的一个或多个。

示例B12包括示例B1-B24任一所述的装置，其中用于制造所述聚合物支架或生物组织构建体的所述目标表面或室上的所述溶液的所述材料包括光聚合性单体溶液，光引发剂，细胞，纳米粒子，或生物分子中的至少一种。

示例B13包括示例B1-B24任一所述的装置，还包括：一个或多个光学组件，位于所述光源和所述数字显示设备之间，被配置为准直和/或扩展由所述光源发射到所述数字显示设备的所述探测光。

示例B14包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述一个或多个光学组件包括透镜，扩散器或均质器中的一个或多个。

示例B15包括示例B1-B24任一所述的装置，还包括：光学模块，位于所述数字显示设备和所述台之间，被配置为将所述空间调制光投射到所述目标表面或室上。

示例B16包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述目标表面或室经过预处理以促进所述形成的支架或构建体与所述目标表面或室的粘附。

示例B17包括示例B1-B24任一所述的装置，其中目标室的侧壁包括物理特征，用于减少或消除在所述溶液和所述目标室的所述侧壁之间形成的弯液面。

示例B18包括示例B1-B24任一所述的装置，其中目标室的侧壁表面包括疏水涂层或超疏水涂层，以减少或消除在所述溶液和所述目标室的所述侧壁表面之间形成的弯液面。

示例B19包括示例B1-B24任一所述的装置，还包括：探针插入模块，其被配置为被放置在接近所述目标表面或室且与所述溶液接触的位置，使得所述探针插入模块可操作以控制要形成的支架或构建体的厚度和高度中的一个或两个。

示例B20包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述探针插入模块包括间隔件结构，该间隔件结构突出到所述目标室中并移置所述目标室中的所述溶液。

示例B21包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述探针插入模块包括多个不同的探针，所述探针被设计为在空间上对应于多孔板的不同孔。

示例B22包括示例B1-B24任一所述的装置，还包括：壳体封闭件，其至少封闭所述光源，所述数字显示设备和持住所述目标表面或室的所述台，以防止光从所述封闭件漏出。

示例B23包括示例B1-B24任一所述的装置，其中所述壳体封闭件被构造为提供无菌生物制造环境。

示例B24包括示例B1-B23任一所述的装置，其中所述计算机控制设备包括台式计算机，膝上型计算机，智能手机，平板电脑，或可穿戴计算设备。

在根据本技术(示例B25)的一些实施例中，一种高通量，无掩模的制造装置，用于使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体，包括：光模式设备，包括发光二极管(LED)阵列，每个LED可操作地产生探测光束，以及不同的LED被控制为探测光束的阵列，以便在所述探测光束上共同携带可编程空间模式，其中，携带所述可编程空间模式的探测光束可被投射在从所述光模式设备接收所述探测光束的目标表面或室上；和控制模块，其被耦接以控制所述光模式设备，以将携带所述预定空间模式的所述探测光束引导至所述孔，以使孔中的溶液光聚合以形成支架或组织构建体。

示例B26包括示例B25-B28任一所述的装置，其中所述可编程空间模式是由所述计算机控制设备以数字格式提供给所述数字显示设备的预定或预先设计的模式。

示例B27包括示例B25-B28任一所述的装置，其中所述目标表面或室包括单孔板或多孔板。

示例B28包括示例B25-B27任一所述的装置，其中所述装置包括示例A2-A24中的一个或多个所述装置的一个或多个特征。

在根据本技术(示例B29)的一些实施例中，一种不使用光掩模直接制造支架或构建体的方法，包括：通过光源发射探测光；基于可编程空间模式对所述探测光进行空间调制以产生模式编码光；和将携带所述可编程空间模式的所述模式编码光引导至目标表面或室，以将所述目标表面上或所述目标室中的包括材料的溶液暴露于所述编码光，从而使所述溶液经历变化以产生支架或构建体。

示例B30包括示例B29-B36任一所述的方法，其中所述探测光由数字显示设备进行空间调制，该数字显示设备包括数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，或发光二极管(LED)显示器中的一个或多个。

示例B31包括示例B29-B36任一所述的方法，还包括：由计算机控制设备以数字格式将可编程空间模式传输到所述数字显示设备。

示例B32包括示例B29-B36任一所述的方法，其中所述目标表面或室包括多孔板，并且其中，所述引导所述模式编码光包括将所述模式编码光投射在所述多孔板的两个或多个孔处，以暴露包含在至少一些不同孔中的溶液，从而使所述溶液在相应孔中光聚合以形成所述聚合物支架或组织构建体。

示例B33包括示例B29-B36任一所述的方法，还包括：将具有被设计为在空间上对应于所述多孔板的不同孔的不同探针的多探针插入件应用到所述多孔板的孔中，以控制每个探针插入孔中的所述溶液的体积。

示例B34包括示例B29-B36任一所述的方法，还包括：控制被添加到所述多孔板的所述两个或多个孔中的单体溶液的体积，其中所述单体的被控制的体积有助于控制在各自孔中形成的所述聚合物支架或组织构建体的厚度。

示例B35包括示例B29-B36任一所述的方法，还包括：对目标表面或室进行预处理，以促进所述形成的支架或构建体与所述目标表面或室的粘附和/或减少或消除在所述溶液与所述目标表面或室侧面之间形成的弯液面。

示例B36包括示例B29-B35任一所述的方法，其中所述目标表面或室包括单孔板或多孔板。

本专利文件中所述的主题和功能操作的实施方式可以在多种系统，数字电子电路，或计算机软件，固件，或硬件中实现，包括本说明书中公开的结构及其结构的等同物，或以其中一种或多种的组合。本说明书中所述的主题的实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序产品，即，编码在有形和非暂时性计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备，机器可读存储基板，存储设备，影响机器可读传播信号的物质的成分，或者其中的一个或多个的组合。术语“数据处理单元”或“数据处理装置”包括用于处理数据的所有装置，设备，和机器，例如包括可编程处理器，计算机，或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件，协议栈，数据库管理系统，操作系统，或其中一个或多个的组合的代码。

计算机程序(也被称为程序，软件，软件应用，脚本，或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，也可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块，组件，子例程，或其他适合在计算环境中使用的单元。计算机程序不一定与文件系统中的文件相对应。程序可以被存储在持有其他程序或数据的文件的部分(例如，标记语言文档中存储的一个或多个脚本)，专用于所述程序的单个文件，或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块，子程序，或部分代码的文件)中。计算机程序可以被部署在一台计算机上执行，也可以被部署在位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流可由一个或多个可编程处理器执行，通过操作输入数据和生成输出，执行一个或多个计算机程序以执行功能。过程和逻辑流还可以由专用逻辑电路执行，并且装置也可以实现为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。

适合于执行计算机程序的处理器，举例来说，包括通用和专用微处理器，以及任何类型数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是执行指令的处理器和存储指令和数据的一个或多个存储设备。通常，计算机还将包括，或被操作地耦接以从用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘，磁光盘，或光盘)接收数据或向其传输数据或两者。然而，计算机不需要有这样的设备。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器，介质和存储设备，包括例如半导体存储设备，例如EPROM，EEPROM，和闪存设备。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。

本说明书和附图仅被视为示例，其中示例性是指示例。如本文所用，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个(a)”，“一个(an)”和“所述(the)”也旨在包括复数形式。此外，“或”的使用旨在包括“和/或”，除非上下文另有明确说明。

尽管本专利文件包含许多细节，但这些细节不应解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而应解释为对可特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的情境中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的情境中描述的多种特征也可以在多个实施例中单独实现或在任何合适的子组合中实现。此外，尽管以上所述的特征可以在某些组合中起作用，甚至最初被要求为这样，但在一些情况下，来自所要求的组合的一个或多个特征可以从该组合中删除，并且所要求的组合可以被引入子组合或子组合的变体。

类似地，虽然以特定顺序在附图中描绘了操作，但这不应理解为要求按照所示的特定顺序或顺序地执行此类操作，或要求执行所有图示操作，才获得想要的结果。此外，本专利文件中所述的实施例中的多种系统组件的分离不应理解为在所有实施例中都需要这种分离。

仅描述了一些实施方式和示例，其他实施方式，增强和变体可以基于本专利文件中描述和说明的内容进行。

Claims (34)

1.一种用于制造支架或构建体的高通量，无掩模的制造装置，包括：

产生探测光的光源；

数字显示设备，用于接收所述探测光并对接收到的探测光进行空间调制以在空间调制光中产生可编程空间模式；

持住目标表面或室的台，其中所述目标表面或室包括多孔板，所述目标表面或室包含溶液，该溶液包括基于与投射在所述溶液上的所述空间调制光的相互作用而形成支架或构建体的一种材料或多种材料；和

与所述光源和所述数字显示设备通信的计算机控制设备，用于控制所述溶液的变化，该溶液包括形成所述支架或构建体的所述一种材料或多种材料，

其中所述数字显示设备生成光学模式，所述光学模式投射到：(i)所述多孔板的全部底部，或(ii)所述多孔板的包括两个或更多个孔的部分底部，以暴露包含在至少一些不同孔中的溶液，从而使所述溶液在相应孔中选择性光聚合。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述可编程空间模式是由所述计算机控制设备以数字格式提供给所述数字显示设备的预定或预先设计的模式。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述多孔板包括标准多孔板，所述标准多孔板包括2，4，6，8，12，24，48，96，或384个孔。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述数字显示设备包括数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，或发光二极管(LED)显示器中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述数字显示设备可操作地作为所述光源，以产生探测光并对其进行空间模块化。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述台包括机动台，用于持住所述目标表面或室，并将所述目标表面或室移动到特定平面，以投射携带所述可编程空间模式的所述空间调制光。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述数字显示设备可操作地作为持住所述目标表面或室以接收所述空间调制光的所述台。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述计算机控制设备被配置为控制所述光源和所述数字显示设备的一个或多个操作，以调节多种所述溶液的按顺序的光聚合，所述溶液包括在所述目标表面或室上形成所述支架或构建体的所述一种材料或多种材料。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述形成的支架或构建体包括3D聚合物支架或生物组织的工程化构建体。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置被配置为选择性聚合并定义所述3D聚合物支架或所述生物组织的工程化构建体的形状，大小，或机械特性中的一个或多个。

11.根据权利要求1所述的装置，其中用于制造所述支架或构建体的所述目标表面或室上的所述溶液的所述一种材料或多种材料包括光聚合性单体溶液，光引发剂，细胞，纳米粒子，或生物分子中的至少一种。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括：

一个或多个光学组件，位于所述光源和所述数字显示设备之间，被配置为准直和/或扩展由所述光源发射到所述数字显示设备的所述探测光。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述一个或多个光学组件包括透镜，扩散器或均质器中的一个或多个。

14.根据权利要求1所述的装置，还包括：

光学模块，位于所述数字显示设备和所述台之间，被配置为将所述空间调制光投射到所述目标表面或室上。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述目标表面或室经过预处理以促进所述形成的支架或构建体与所述目标表面或室的粘附。

16.根据权利要求1所述的装置，其中目标室的侧壁包括物理特征，用于减少或消除在所述溶液和所述目标室的所述侧壁之间形成的弯液面。

17.根据权利要求1所述的装置，其中目标室的侧壁表面包括疏水涂层或超疏水涂层，以减少或消除在所述溶液和所述目标室的所述侧壁表面之间形成的弯液面。

18.根据权利要求1所述的装置，还包括：

探针插入模块，其被配置为被放置在接近所述目标表面或室且与所述溶液接触的位置，使得所述探针插入模块可操作以控制要形成的支架或构建体的厚度和高度中的一个或两个。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述探针插入模块包括间隔件结构，该间隔件结构突出到所述目标室中并移置所述目标室中的所述溶液。

20.根据权利要求18所述的装置，其中所述探针插入模块包括多个不同的探针，所述探针被设计为在空间上对应于所述多孔板的不同孔。

21.根据权利要求1所述的装置，还包括：

壳体封闭件，其至少封闭所述光源，所述数字显示设备和持住所述目标表面或室的所述台，以防止光从所述封闭件漏出。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述壳体封闭件被构造为提供无菌生物制造环境。

23.根据权利要求1所述的装置，其中所述计算机控制设备包括台式计算机，膝上型计算机，智能手机，平板电脑，或可穿戴计算设备。

24.一种高通量，无掩模的制造装置，用于使用光学模式直接在多孔板中制造支架或组织构建体，包括：

光模式设备，包括发光二极管(LED)阵列，每个LED可操作地产生探测光束，以及不同的LED被控制为探测光束的阵列，以便在所述探测光束上共同携带可编程空间模式，其中，携带所述可编程空间模式的探测光束可被投射在从所述光模式设备接收所述探测光束的目标表面或室上，所述目标表面或室包括多孔板；和

控制模块，其被耦接以控制所述光模式设备，以将携带所述可编程空间模式的所述探测光束引导至所述孔，以使孔中包括多种材料的一系列溶液光聚合以形成支架或组织构建体，

其中所述光模式设备引导的携带所述可编程空间模式的探测光束生成光学模式，所述光学模式投射到：(i)所述多孔板的全部底部，或(ii)所述多孔板的包括两个或更多个孔的部分底部，以暴露包含在至少一些不同孔中的一系列溶液中的每一个溶液，从而使所述溶液在相应孔中选择性光聚合。

25.根据权利要求24所述的装置，其中所述可编程空间模式是由计算机控制设备以数字格式提供给所述光模式设备的预定或预先设计的模式。

26.一种不使用光掩模直接制造支架或构建体的方法，包括：

通过光源发射探测光；

基于可编程空间模式对所述探测光进行空间调制以产生模式编码光；和

从包括多孔板的目标表面或室的底部引导携带所述可编程空间模式的所述模式编码光，以将所述目标表面上或所述目标室中的包括一种材料或多种材料的溶液暴露于所述编码光，从而使所述溶液经历变化以产生支架或构建体，

其中所述引导所述模式编码光包括将所述模式编码光投射在所述多孔板的两个或更多个孔处，以暴露包含在至少一些不同孔中的溶液，从而使所述溶液在相应孔中光聚合以形成所述支架或构建体。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述探测光由数字显示设备进行空间调制，该数字显示设备包括数字微镜设备(DMD)，液晶显示器(LCD)，或发光二极管(LED)显示器中的一个或多个。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括：

由计算机控制设备以数字格式将可编程空间模式传输到所述数字显示设备。

29.根据权利要求26所述的方法，还包括：

将具有被设计为在空间上对应于所述多孔板的不同孔的不同探针的多探针插入件应用到所述多孔板的孔中，以控制每个探针插入孔中的所述溶液的体积。

30.根据权利要求26所述的方法，还包括：

控制被添加到所述多孔板的所述两个或多个孔中的单体溶液的体积，其中所述单体的被控制的体积有助于控制在各自孔中形成的所述支架或构建体的厚度。

31.根据权利要求26所述的方法，还包括：

对目标表面或室进行预处理，以促进所述形成的支架或构建体与所述目标表面或室的粘附和/或减少或消除在所述溶液与所述目标表面或室侧面之间形成的弯液面。

32.根据权利要求1所述的装置，其中会形成所述支架或构建体的所述多种材料分别被包括在多种溶液中，并且其中所述装置被配置为在所述目标表面或室处顺序地接收所述多种溶液中的每一个，并使各个相应材料与被投射到相应溶液处的所述空间调制光相互作用，以制造要形成的所述支架或构建体的多材料异质结构。

33.根据权利要求26所述的方法，其中所述溶液包括所述多种材料，该多种材料包括(i)包括第一材料的第一预聚物溶液和(ii)包括第二材料的第二预聚物溶液，并且其中所述方法还包括：

顺序地将所述多种材料添加到所述目标表面或室以制造所述支架或构建体的多材料异质结构。

34.根据权利要求33所述的方法，其中制造所述支架或构建体的所述多材料异质结构的所述方法包括：

将所述第一预聚物溶液添加到所述多孔板的目标孔；和

以以下步骤实现所述方法：

通过所述光源发射所述探测光，

基于第一可编程空间模式对所述探测光进行空间调制以产生第一模式编码光，和

将携带所述第一可编程空间模式的所述第一模式编码光引导至所述多孔板，以将所述多孔板的所述目标孔中的所述第一预聚物溶液暴露于所述编码光，从而使所述第一预聚物溶液经历变化以产生所述支架或构建体的第一结构；

在产生所述支架或构建体的所述第一结构后，从所述多孔板移除所述第一预聚物溶液的未聚合部分；

将所述第二预聚物溶液添加到所述多孔板的目标孔；和

通过以下步骤重复所述方法：

通过所述光源发射所述探测光；

基于第二可编程空间模式对所述探测光进行空间调制以产生第二模式编码光；和

将携带所述第二可编程空间模式的所述第二模式编码光引导至所述多孔板，以将所述多孔板的所述目标孔中的所述第二预聚物溶液暴露于所述编码光，从而使所述第二预聚物溶液经历变化以产生所述支架或构建体的第二结构。