WO2023186378A1

WO2023186378A1 - Extrusionsvorrichtung, verfahren zur herstellung einer hohlstruktur und verwendung einer extrusionsvorrichtung

Info

Publication number: WO2023186378A1
Application number: PCT/EP2023/052768
Authority: WO
Inventors: Christian Lesko; Oliver Friedrich; Daniel Gilbert
Original assignee: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg - Körperschaft Des Öffentlichen Rechts
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2023-02-06
Publication date: 2023-10-05
Also published as: DE102022203033A1; DE102022203033B4

Abstract

Es wird eine Extrusionsvorrichtung (2) beschrieben, zur Herstellung einer Hohlstruktur (4) durch koaxiale Extrusion mehrerer Medien, wobei diese mehrere Halterungen (6, 8, 10) aufweist, jeweils für eine Düse (12, 14, 16) zur Extrusion eines der Medien, wobei die Halterungen (6, 8, 10) sich in einer axialen Richtung (A) entlang einer Zentralachse (Z) erstrecken und koaxial angeordnet sind, zur koaxialen Anordnung der Düsen (12, 14, 16) ineinander, wobei wenigstens zwei der Halterungen (6, 8, 10) in einer radialen Richtung (R) aufeinander folgen und in radialer Richtung (R) mittels eines Lagers aneinander gelagert sind, sodass die wenigstens zwei Halterungen (6, 8, 10) in axialer Richtung (A) relativ zueinander verschiebbar sind, zur Einstellung der relativen axialen Positionen der jeweiligen Düsen (12, 14, 16). Weiter werden ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur (4) sowie eine Verwendung einer Extrusionsvorrichtung (2) beschrieben.

Description

Beschreibung

Extrusionsvorrichtung, Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur und Verwendung einer Extrusionsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Extrusionsvorrichtung, insbesondere zur Biofabrikation einer Hohlstruktur. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur sowie eine Verwendung einer Extrusionsvorrichtung.

Bei der Biofabrikation werden eine oder mehrere Biotinten (z.B. Zellen dispergiert in einer Hydrogelmatrix) verwendet, um daraus eine Biostruktur herzustellen, z.B. ein Organ oder ein Gewebestück. Verschiedene Verfahren zur Biofabrikation werden beispielsweise beschrieben in Zhang et al. 2015, „In vitro study of directly bioprinted perfusable vasculature conduits“, Biomaterials Science, 3, 134-143, Liu et al. 2017, „Synthesis of cell composite alginate microfibers by microfluidics with the application potential of small diameter vascular grafts“, Biofabrication, 9, 025030, Zhang et al. 2017, „Microfluidic Bioprinting for Engineering Vascularized Tissues and Organoids“, J Vis Exp., Constantini et al. 2018, „Co-axial wet-spinning in 3D bioprinting: state of the art and future perspective of microfluidic integration“, Biofabrication, 11 , 012001 , Liu et al 2019, „Development of a Coaxial 3D Printing Platform for Biofabrication of Implantable Islet-Containing Constructs“, Adv Healthc Mater, e1801181 , Jia et al. 2016, „Direct 3D bioprinting of perfusable vascular constructs using a blend bioink“, Biomaterials, 106, 58-68, Cornock et al. 2014, „Coaxial additive manufacture of biomaterial composite scaffolds for tissue engineering“, Biofabrication, 6, 025002 und Meng et al. 2016, „Microfluidic generation of hollow Ca-alginate microfibers“, Lab Chip, 16, 2673-81. Weitere Systeme werden beschrieben in US 10,857,260 B2, US 2016/0288414 A1 , CN 112 659 551 A, CN 206 528 075 U, WO 2020/056517 A1 . Eine mögliche, apparative Lösung zur Biofabrikation einer Hohlstruktur basiert auf der Verwendung von medizinischen Kanülen oder Pipettenspitzen als Düsen zur koaxialen Extrusion, wobei die Kanülen per Hand ausgerichtet und mit Klebstoffen zusammengefügt und abgedichtet werden. Solche Lösungen sind zwar vergleichsweise einfach in der Anwendung, jedoch regelmäßig nur für einen speziellen Zweck gefertigt und weisen darüber hinaus auch typischerweise eine schlechte Oberflächengüte, eine limitierte Druckauflösung und sehr große Durchmesser auf. Mit den genannten Düsen lassen sich lediglich minimale Extrusionsdurchmesser deutlich oberhalb von mehreren 100 pm erzielen, typischerweise von etwa 1 mm. Solche Lösungen bieten keine Möglichkeit zur Durchmesserminimierung oder Strömungsoptimierung und sind daher üblicherweise nicht geeignet, kleine und/oder komplexe Hohlstrukturen herzustellen. Mit anderen Worten, es ergeben sich entsprechende Einschränkungen hinsichtlich der herstellbaren Biostrukturen, speziell mit Blick auf die erzielbaren, strukturellen, mechanischen und rheologischen Eigenschaften der Biostruktur. Auch ist der prozesstechnische Aufbau der beschriebenen Lösungen eher prototypenhaft und jedenfalls nicht für eine zielgerichtete, reproduzierbare und automatisierte Fertigung geeignet, wie sie für eine Biofabrikation - sowohl zur Einzelfertigung als auch Massenherstellung von Biostrukturen - wünschenswert wäre. Die beschriebenen Lösungen sind auch wenig flexibel und können nur zur Herstellung einer bestimmten Biostruktur verwendet werden. Somit ist auch die Herstellung einer komplexen Biostruktur nicht möglich, d.h. einer Biostruktur mit lokal unterschiedlichen Formen und/oder Eigenschaften, insbesondere Verzweigungen.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Hohlstrukturen zu verbessern, insbesondere im Rahmen einer Biofabrikation, bei welcher die hergestellte Hohlstruktur eine Biostruktur aus einem Biomaterial ist. Die Herstellung soll möglichst flexibel, reproduzierbar und automatisierbar sein. Hierzu sollen eine entsprechend geeignete Extrusionsvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur sowie eine Verwendung einer Extrusionsvorrichtung angegeben werden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Extrusionsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit der Extrusionsvorrichtung gelten analog auch für das Verfahren sowie für die Verwendung und umgekehrt. Sofern nachfolgend Schritte des Verfahrens angegeben sind, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für die Extrusionsvorrichtung dadurch, dass diese ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Schritte auszuführen, vorzugsweise automatisiert.

Die Extrusionsvorrichtung dient zur Herstellung einer Hohlstruktur (auch Hohlkörper genannt) durch koaxiale Extrusion mehrerer Medien. Hierbei werden die Medien jeweils extrudiert und dabei insbesondere zusammengeführt, um durch Kombination und/oder Reaktion miteinander die Hohlstruktur zu bilden. Zumindest eines der Medien ist vorzugsweise ein Biomaterial, sodass dann die Hohlstruktur entsprechend eine Biostruktur ist. Bevorzugterweise enthält außerdem mindestens eines der Medien Zellen, deren Vitalität beim Extrusionsbetrieb gewährleistet bleibt. Dies ist aber an sich nicht zwingend, d.h. die hier beschriebene Extrusionsvorrichtung ist insbesondere sowohl geeignet zur Biofabrikation von Biostrukturen als auch für andere biotechnologische Bereiche wie z.B. die Herstellung von Hohlfaserbioreaktoren oder Mikrokanalanordnungen für eine Zellkultur.

Die hier beschriebene Extrusionsvorrichtung weist in einer geeigneten Ausgestaltung drei Teilbaugruppen auf, nämlich eine Extrusionsbaugruppe (auch als Mikro- fluidikbaugruppe bezeichnet), eine Werkzeugwechselbaugruppe und eine Antriebseinheit (auch als Lineareinheit bezeichnet).

Die Extrusionsbaugruppe bildet insbesondere ein Kernstück der Vorrichtung und weist mehrere (d.h. wenigstens zwei) Halterungen auf, jeweils für eine Düse zur Extrusion eines der Medien. Dabei ist die Düse kein Teil der Halterung, sondern insbesondere austauschbar und ein Verbrauchsmaterial. Die Düsen sind jedoch insbesondere ein Teil der Extrusionsvorrichtung insgesamt. Die Halterungen erstrecken sich in einer axialen Richtung entlang einer Zentralachse und sind koaxial, insbesondere auch konzentrisch, angeordnet, zur koaxialen Anordnung der Düsen ineinander. Wenigstens zwei der Halterungen, vorzugsweise alle Halterungen, folgen in einer radialen Richtung (d.h. senkrecht zur axialen Richtung) aufeinander und sind in dieser radialen Richtung mittels eines Lagers aneinander gelagert, sodass die wenigstens zwei Halterungen in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind, zur Einstellung der relativen axialen Positionen der jeweiligen Düsen (d.h. die Anordnung der Düsen relativ zueinander). Dies wird auch als „relative Verschiebbarkeit“, „relative Verschiebung“ oder „axiale Relativverschiebung“ der Halterungen/Düsen bezeichnet. Insbesondere weisen eine oder mehrere der Halterungen ein entsprechendes Lager auf. Vorzugsweise sind die Halterungen stufenlos oder kontinuierlich relativ zueinander verschiebbar. Vorzugsweise sind die Halterungen automatisiert relativ zueinander verschiebbar.

Diejenige der mehreren Halterungen, welche der Zentralachse am nächsten ist, wird auch als innerste Halterung bezeichnet, alle übrigen Halterungen werden relativ hierzu als äußere Halterungen bezeichnet. Entsprechend wird diejenige der mehreren Halterungen, welche der Zentralachse am entferntesten ist, auch als äußerste Halterung bezeichnet, alle übrigen Halterungen werden relativ hierzu auch als innere Halterungen bezeichnet. Diejenigen Halterungen, welcher weder die innerste noch die äußerste Halterung sind, werden - sofern vorhanden - auch als mittlere Halterungen bezeichnet. Gelegentlich werden die Halterungen zudem von innen nach außen durchnummeriert, wobei die innerste Halterung die erste Halterung ist, die darauffolgende Halterung die zweite Halterung und so weiter. Entsprechend ergibt sich, dass dieselbe Halterung je nach Kontext unterschiedlich benannt sein kann. Die vorgenannten Benennungen gelten analog auch für die Düsen, Medien und sonstige Komponenten, welche in entsprechender Anzahl vorhanden sind.

Insgesamt ergibt sich ein geschachtelter Aufbau, bei welchem die Halterungen mit deren jeweiliger Düse entlang der axialen Richtung zusammengesetzt sind, sodass sich in radialer Richtung ein Schichtaufbau ergibt, durch welchen die Medien dann während des Verfahrens konzentrisch extrudiert werden. Die Halterungen sind jeweils vorzugsweise zylinderförmig und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet. Die äußeren Halterungen sind jeweils geeigneterweise als Hohlzylinder ausgebildet (d.h. im Querschnitt entlang der Zentralachse allgemein U-förmig), um entsprechend eine oder mehrere Halterungen darin einzusetzen.

Die Extrusionsvorrichtung weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf und erstreckt sich in axialer Richtung allgemein von frontseitig nach rückseitig. Die Vorderseite ist entsprechend frontseitig angeordnet, dort sind auch die Düsen angeordnet, deren Mündungen auch frontseitig liegen, um dort die Hohlstruktur herzustellen. Rückseitig erfolgt insbesondere eine Zuführung der diversen Medien, welche zur Herstellung verwendet werden.

Die relative Verschiebbarkeit zumindest zweier der Halterungen und damit auch wenigstens zweier der Düsen wird insbesondere durch die Lagerung der Halterungen aneinander realisiert, d.h. die Lager fixieren die Halterungen relativ zueinander in radialer Richtung, erlauben jedoch eine Bewegung in axialer Richtung. Mit anderen Worten: zumindest zwei der Düsen sind entlang der Zentralachse unabhängig voneinander verschiebbar. Insbesondere sind die Halterungen im Verfahren, also während der Herstellung der Hohlstruktur verschiebbar und werden zweckmäßigerweise auch während der Herstellung relativ zueinander verschoben, um eine Hohlstruktur mit lokal unterschiedlichen Formen und/oder Eigenschaften herzustellen.

Eine jeweilige Düse weist frontseitig eine Mündung auf, durch welche das jeweilige Medium beim Extrudieren letztendlich austritt. In axialer Richtung betrachtet ergibt sich dann zwischen den Mündungen zweier Düsen ein Abstand, welcher durch Verschieben der Halterungen einstellbar ist. Daraus ergeben sich diverse Vorteile: Zunächst lässt sich durch die relative Verschiebbarkeit das Zusammenführen der verschiedenen Medien während der Extrusion besonders präzise steuern und damit auch die Herstellung der Hohlstruktur, sodass die Herstellung entsprechend flexibel ist und auch komplexe Hohlstrukturen mit lokal unterschiedli- chen Formen und/oder Eigenschaften herstellbar sind. Die mechanischen, geometrischen, fluidischen und rheologischen Eigenschaften der Hohlstruktur sind regelmäßig von der Interaktion (z.B. Reaktion oder Vermischen) der Medien miteinander abhängig, sodass durch eine Steuerung dieser Interaktion vorteilhaft die genannten Eigenschaften der Hohlstruktur einstellbar sind. Unmittelbar deutlich wird dies beispielsweise bei zwei Medien, von welchen eines ein Härter ist, mit welchem das andere Medium bei Kontakt ausgehärtet wird. Durch die relative Verschiebbarkeit wird nun das Zusammenführen der Medien und damit deren Interaktion präzise und reproduzierbar gesteuert, sodass auch die genannten Eigenschaften der Hohlstruktur entsprechend präzise und reproduzierbar eingestellt werden.

Zusätzlich lassen sich durch die relative Verschiebbarkeit auch besonders gut axiale Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen der Düsen ausgleichen. Da die Düsen ein Verbrauchsartikel sind, welcher entsprechenden Fertigungstoleranzen unterliegt und regelmäßig ausgetauscht wird, kann entsprechend auf eine Längenänderung beim Tausch einer Düse reagiert werden, wodurch sich eine verbesserte Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Hohlstruktur ergibt. Schließlich ermöglicht die relative Verschiebbarkeit in axialer Richtung in Verbindung mit der Fixierung in radialer Richtung auch eine Automatisierung der Herstellung.

Zum Ausgleich von Rundlauftoleranzen der Düsen (d.h. Toleranzen der Düsen in radialer Richtung) sind die Halterungen zweckmäßigerweise um die Zentralachse herum relativ zueinander drehbar. Rundlauftoleranzen werden dann geeigneterweise durch Drehung einer äußeren der Halterungen und damit auch deren Düse relativ zur nächsten, inneren Halterung derart ausgeglichen, dass die beiden Rundlauftoleranzen radial in gleicher Richtung ausgerichtet sind und dadurch in deren Auswirkungen minimiert werden. Nach erfolgter Montage sind demnach Rundlauftoleranzen zweier in radialer Richtung aufeinanderfolgender Düsen dadurch ausgeglichen, dass die beiden Rundlauftoleranzen radial in gleicher Richtung ausgerichtet sind. Die Rundlauftoleranz ist vorzugsweise an der Mündung einer jeweiligen Düse gemessen. So ergibt sich beispielsweise aus einer Rund- lauftoleranz an der Mündung einer inneren Düse von 10 pm und einer Rundlauftoleranz der nächstäußeren Düse von 12 pm bei derartig angepasster Ausrichtung nur eine theoretische Abweichung der Konzentrizität der Mündungen in Höhe von 2 pm.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die mehreren Halterungen wenigstens drei Halterungen, d.h. die Extrusionsvorrichtung weist wenigstens drei Halterungen auf. Diese erstrecken sich wie oben bereits beschrieben in axialer Richtung entlang der Zentralachse und sind koaxial angeordnet, zur koaxialen Anordnung der nun zumindest drei Düsen ineinander. Die Halterungen sind zudem vorzugsweise paarweise relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar, zur Einstellung der axialen Positionen der Düsen relativ zueinander. Hierzu folgen die drei Halterungen wie beschrieben in radialer Richtung aufeinander und sind in radialer Richtung aneinander gelagert, sodass von der Zentralachse aus in radialer Richtung nach außen betrachtet die drei Halterungen/Düsen eine innerste, eine mittlere und eine äußerste Halterung/Düse sind.

Vorliegend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer Ausgestaltung wie vorstehend beschrieben mit drei Halterungen und entsprechend auch drei Düsen für drei Medien ausgegangen, die Ausführungen gelten jedoch allgemein für jede beliebige Anzahl an Halterungen, Düsen und Medien (also auch lediglich zwei Düsen für zwei Medien). Ein Vorteil der Erfindung ist dann auch, dass die Extrusionsvorrichtung einfach skalierbar ist, indem einfach nach Bedarf weitere Halterungen und Düsen hinzugefügt werden, um beliebig mehrschichtige Hohlstrukturen mittels Extrusion aus verschiedensten Medien herzustellen.

Jeder Halterung ist insbesondere genau eine Düse zugeordnet und insbesondere auch genau ein Medium, welches mittels der Düse extrudiert wird. Eine jeweilige Düse besteht in einer geeigneten Ausgestaltung aus Glas. Vorzugsweise sind die Düsen derart ausgebildet, dass die Hohlstruktur mit einem Innendurchmesser von maximal 1 mm hergestellt wird, bevorzugt weniger als 500 pm, bevorzugt weniger als 200 pm und besonders bevorzugt im Bereich von 10 pm bis 200 pm, besonders bevorzugt 10 pm bis 100 pm oder sogar nur 10 pm bis 50 pm. Hierfür weist eine jeweilige Düse entsprechend zumindest frontseitig, also im Bereich der Mündung, einen Innendurchmesser von maximal 1 mm auf, bevorzugt weniger als 200 pm und besonders bevorzugt im Bereich von 10 pm bis 200 pm. Speziell hierfür, aber auch allgemein, ist eine Ausgestaltung geeignet, bei welcher eine jeweilige Düse eine gezogene und/oder nachbearbeitete Mikrodüse aus einer Glaskapillare ist. Mit anderen Worten: eine Düse wird ausgehend von einer Glaskapillare dadurch hergestellt, dass die Glaskapillare zunächst erwärmt und in axialer Richtung ausgezogen wird, wodurch deren Innen- und auch Außendurchmesser nach vom hin reduziert werden. Auf diese Weise wird beispielsweise ausgehend von einer Glaskapillare mit einem Innendurchmesser von mehreren 100 pm und einem Außendurchmesser von 1 mm oder mehr dann eine Düse mit besonders kleinen Innendurchmessern, z.B. im Bereich von < 200 pm, hergestellt. Dabei bleibt der ursprüngliche Durchmesser der Glaskapillare zumindest im Bereich nahe und oder in der Halterung erhalten, sodass die Düse demnach insgesamt nach vom hin (d.h. frontseitig) verjüngt ausgebildet ist. Die Düsen werden insbesondere außerhalb der Extrusionsvorrichtung und unabhängig davon mit einem separaten Zuggerät gezogen, sodass die Düse zunächst hergestellt wird und dann die fertig gezogene Düse in der Extrusionsvorrichtung montiert wird. Vorteilhaft sind die Düsen allgemein wie beschrieben verjüngt und dadurch besonders strömungsgünstig ausgebildet, d.h. insbesondere, dass bei der Extrusion eine möglichst laminare Strömung des jeweiligen Mediums und ein gleichmäßiger Druckabfall entlang der Düsen erzielt wird.

Welche Medien mit welchen der Düsen extrudiert werden, ist im Grunde beliebig und je nach Bedarf anpassbar. In einer bevorzugten Ausgestaltung, von welcher hier auch ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausgegangen wird, ist ein erstes der Medien ein Stützmedium, insbesondere eine Zellsuspension, zum Ausfüllen eines Lumens der Hohlstruktur, ein zweites der Medien ist ein Wandungsmaterial, insbesondere ein Biomaterial, zur Ausbildung einer Wandung der Hohlstruktur, und ein drittes der Medien ist ein Härter (z.B. ein Crosslinker), zum Aushärten des zweiten Mediums beim Zusammenführen mit diesem. Vorzugsweise wird das Stützmedium der ersten, innersten Düse zugeführt und mit dieser extrudiert, das Wandungsmaterial wird der zweiten, mittleren Düse zugeführt und mit dieser extrudiert und der Härter wird der dritten, äußersten Düse zugeführt und mit dieser extrudiert. Im Rahmen der Herstellung wird dann aus dem Wandungsmaterial eine Wandung der Hohlstruktur hergestellt, indem das Wandungsmaterial mit dem Härter in Kontakt gebracht wird, sodass eine Aushärtung des Wandungsmaterials erfolgt. Der Härter wird hierbei von außen an das Wandungsmaterial herangeführt. Von innen wird dagegen das Stützmedium an das Wandungsmaterial herangeführt und stützt dieses somit während der Extrusion.

Ein geeignetes Wandungsmaterial ist ein Hydrogel, z.B. Alginat, ein geeigneter Härter ist Kalziumchlorid (CaCl2). Ein geeignetes Stützmedium ist Wasser, bevorzugt ist aber ein funktionales Stützmedium insbesondere eine Zellsuspension, z.B. mit Endothelzellen für die Herstellung von Blutgefäßen oder andere Zellen (z.B. Zelllinien, Stammzellen, Primärzellen), um die Wandung bei der Herstellung zugleich von innen zu funktionalisieren, indem innenseitig an der Wandung Zellen abgeschieden werden, um so eine zellbeschichtete Hohlstruktur zu erhalten.

Abseits der oben beschriebenen Ausführungsform wird in einer Variante kein Zweikomponentensystem aus Wandungsmaterial und Härter verwendet, sondern die Wandung direkt durch Extrusion lediglich eines einzelnen Mediums hergestellt. Entsprechend sind dann nur zwei Halterungen, Düsen und Medien erforderlich. Die Verwendung eines Zweikomponentensystems hat jedoch den Vorteil, dass sich damit deutlich kleinere Hohlstrukturen herstellen lassen als mit einem Einkomponentensystem. Außerdem ist es möglich, sehr niederviskose Wandungsmaterialien zu verwenden und folglich eine hohe Viskosität und damit Scherbelastung auf lebende Zellen zu vermeiden. Geeignet ist grundsätzlich auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Härter von innen an das Wandungsmaterial herangeführt wird und dieses dann von innen heraus aushärtet. In dieser Ausgestaltung dient der Härter zugleich als Stützmedium, sodass auch hier nur zwei Halterungen, Düsen und Medien benötigt werden. Eine Härtung von innen, z.B. wie beschrieben mit einem als Härter fungierenden Stützmedium kann jedoch auch mit einer Härtung von außen z.B. durch einen äußeren Strom eines Härters wie beschrieben kombiniert werden. Vorzugsweise weist die Extrusionsvorrichtung eine Kombination von zwei oder mehr der nachfolgend genannten vier Betriebsmodi auf. Ein erster Betriebsmodus ist der Extrusionsbetrieb, in welchem die Hohlstruktur hergestellt wird. Ein zweiter Betriebsmodus ist der Montagebetrieb, in welchem die einzelnen Halterungen der Extrusionsvorrichtung mit montierten Düsen ineinander eingeschoben werden. Ein dritter Betriebsmodus ist ein Werkzeugwechselmodus, d.h. eine Aufnahme und Fixierung in der Werkzeugwechselbaugruppe und insbesondere deren Lösung und Freigabe. Ein vierter Betriebsmodus ist ein Justiermodus, d.h. eine Feinjustierung der Düsen in der montierten Extrusionsvorrichtung in axialer Richtung, um Toleranzen bei der Herstellung und beim Fügen der Düsen in die Halterungen auszugleichen.

Ein Kerngedanke der Erfindung ist insbesondere eine spezielle mechanische Auslegung und Gestaltung der Extrusionsvorrichtung derart, dass eine Herstellung von besonders kleinen, vorzugsweise sogar mehrschichtigen Hohlstrukturen für eine automatisierte und vorzugsweise vollständig additive Biofabrikation ermöglicht ist. Dies wird durch die axiale Verschiebbarkeit der Düsen relativ zueinander realisiert, sodass diese Düsen mit minimalen Innendurchmessern, vorzugsweise in der Größenordnung des Durchmessers einer einzelnen Zelle (d.h. von ~10 pm) bis 200 pm, reproduzierbar und präzise koaxial montierbar sind. Bei der Biofabrikation werden dadurch vorteilhaft neue Fertigungszyklen realisiert, beispielsweise zur Herstellung von perfundierbaren Verzweigungen.

Auch ist die hier beschriebene Extrusionsvorrichtung insbesondere geeignet zur koaxialen Mikroextrusion besonders kleiner, filamentöser Hohlstrukturen aus zellbeschichteten Biomaterialien. Unter „besonders klein“ werden insbesondere Hohlstrukturen mit einem Innendurchmesser von weniger als 200 pm verstanden, bevorzugt 10 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt 10 pm bis 50 pm. Die Herstellung erfolgt beispielsweise mit einer Prozessgeschwindigkeit im Bereich von 50 pm/s bis 500 pm/s. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung ist zudem, dass diese koaxiale Mikroextrusion von Biomaterialien nicht apparativ limitiert ist, denn die Düsen werden je nach Anforderung als Werkzeug passend für einen jeweiligen Herstellungsschritt ausgewählt, in einer jeweiligen Halterung fixiert, und mittels axialer Verschiebung axial justiert. Die koaxiale Ausrichtung ist dabei vorteilhaft nicht vom handwerklichen Geschick des Anwenders abhängig, sondern wird durch die Konstruktion und Herstellung der hier vorgestellten Extrusionsvorrichtung an sich gewährleistet. So ist ein reproduzierbares Herstellungsverfahren möglich, welches vollständig automatisierbar ist.

Wie bereits beschrieben, weist die Extrusionsvorrichtung vorzugsweise drei Teilbaugruppen auf. Dabei enthält die Extrusionsbaugruppe die genannten Halterungen und ermöglicht die Aufnahme der Düsen, die Führung und Anbindung der Medien zu den Düsen und insbesondere die präzise, wiederholgenaue und einstellungsfreie Montage der regelmäßig empfindlichen Düsen. Durch die Lagerung der Halterungen aneinander wird zusätzlich die beschriebene relative Verschiebbarkeit der Düsen zueinander speziell im Betrieb, d.h. während der Herstellung, ermöglicht. Damit werden vorteilhaft völlig neue Betriebsarten und damit Herstellungsmöglichkeiten erschlossen, beispielsweise für die Biofabrikation verzweigter Hohlstrukturen, speziell hierarchischer, vaskulärer Systeme, z.B. intendierte Gefäße und Gefäßnetze. Außerdem werden durch die Lager vorteilhaft auch die Halterungen und die Düsen exakt koaxial ausgerichtet, wodurch keine Zentrierung durch den Anwender erforderlich ist. Entsprechend kommt der Lagerung und der Ausgestaltung der Lager vorliegend eine besondere Bedeutung zu.

Die Werkzeugwechselbaugruppe und die Antriebseinheit sind dann an sich zunächst optional, realisieren jedoch vorteilhaft ein hohes Maß an Automatisierung und Präzision bei einfacher Anwendung. So ermöglicht die Werkzeugwechselbaugruppe insbesondere, mehrere Extrusionsbaugruppen automatisiert zu wechseln und so einen vollautomatisierten und volladditiven Herstellungsprozess für biologische Mikrostrukturen zu gewährleisten. Mittels der Antriebseinheit sind die Halterungen vorzugsweise automatisiert relativ zueinander verschiebbar, d.h. eine manuelle Führung der Düsen ist nicht erforderlich. Die Antriebseinheit garantiert insbesondere die relative Verschiebbarkeit der Düsen in axialer Richtung im Betrieb, den Ausgleich von Toleranzen der verwendeten Düsen in axialer Richtung und die hochpräzise, individuelle, automatisierte Ansteuerung zur Aufnahme und Fixierung einer Extrusionsbaugruppe beim Werkzeugwechsel. Wie bereits angedeutet, ermöglicht die axiale Verschiebbarkeit als einen neuen Herstellungsschritt oder -zyklus die Herstellung einer oder mehrerer Abzweigungen (auch Verzweigungen). Allgemein ist eine der Halterungen eine innere Halterung und eine andere der Halterungen eine äußere Halterung. In einer geeigneten Ausgestaltung ist nun die innere Halterung, vorzugsweise sogar die innerste Halterung, in axialer Richtung derart weit relativ zur äußeren Halterung verschiebbar, dass die Düse der inneren Halterung gegenüber der Düse der äußeren Halterung hervorsteht, nämlich frontseitig, zum Anstechen einer bestehenden Hohlstruktur zwecks Ausbildung einer Abzweigung durch Anformung einer Hohlstruktur an die bestehende Hohlstruktur. Die innere Düse wird somit einerseits genutzt, um in einer bestehenden Hohlstruktur eine Öffnung zu erzeugen, als auch andererseits als Platzhalter für ein Lumen einer anschließend hergestellten, weiteren Hohlstruktur, welche an die bestehende Hohlstruktur angeformt wird. Die axiale Verschiebbarkeit wird dabei wie folgt genutzt: zunächst wird die innere Düse derart weit nach vom verschoben, dass diese aus der äußeren Düse hervorsteht, d.h. die innere Düse wird aus der äußeren Düse herausgefahren. Mit der inneren Düse wird dann die bestehende Hohlstruktur angestochen (oder auch perforiert), indem die innere Düse in eine Wandung dieser Hohlstruktur eingefahren wird. Sofern dann noch erforderlich, wird die äußere Düse noch bis an die Wandung der bestehenden Hohlstruktur herangeschoben und dabei der Abstand der Mündungen der beiden Düsen wieder verringert. Darauffolgend wird über die äußere Düse das zugehörige Medium extrudiert, sodass ein Anschluss an die bestehende Hohlstruktur erfolgt, dabei wird die äußere Düse gegebenenfalls wieder zurückgeschoben und entsprechend der Abstand der Mündungen der beiden Düsen wieder vergrößert. Die innere Düse hält dabei eine Verbindung zum Lumen der bestehenden Hohlstruktur offen. Ab einem bestimmten Punkt, z.B. markiert durch einen vorgegebenen Abstand der Mündungen der beiden Düsen, erfolgt keine relative Verschiebung mehr und die innere Düse wird aus der bestehenden Hohlstruktur herausgezogen und mit der äußeren Düse mitgeführt. Die Herstellung der Hohlstruktur wird dann in normaler Weise weitergeführt. Die Ausführungen gelten analog bei Herstellung der weiteren Hohlstruktur mit mehreren äußeren Düsen und Halterungen, z.B. bei einem Zweikomponentensystem zur Herstellung der Wandung. Die Extrusion der verschiedenen Medien der dann mehreren äußeren Düsen erfolgt dann gegebenenfalls je nach Bedarf zeitverzögert.

Speziell die Halterungen, deren Lagerung aneinander mittels geeigneter Lager, und deren relative Verschiebbarkeit bilden insbesondere ein Kernstück der vorliegenden Erfindung und adressieren ein technisch anspruchsvolles Aufgabenspektrum, umfassend: einerseits die möglichst präzise, reproduzierbare, koaxiale Ausrichtung mehrerer Düsen für eine koaxiale Extrusion mehrerer Medien zur Herstellung einer Hohlstruktur; andererseits auch die Möglichkeit einer möglichst einfachen, reproduzierbaren und zerstörungsfreien Montage der regelmäßig besonders empfindlichen Düsen; darüber hinaus auch eine Anbindung der Düsen mit entsprechend kleinen Innendurchmessern an der Mündung mit einer makroskopischen Medienanbindung, vorzugsweise Fittings aus dem HPLC-Bereich (Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie). Dieses Aufgabenspektrum wird durch die hier beschriebenen diversen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Extrusionsvorrichtung adressiert.

Die Halterungen sind vorzugsweise jeweils als ein rotationssymmetrisches Bauteil konzipiert. Jede Halterung weist insbesondere frontseitig eine Aufnahme (z.B. Passung) für eine der Düsen auf, sodass eine jeweilige Düse dann frontseitig in einer jeweiligen Halterung montiert ist. Alle Aufnahmen liegen insbesondere hintereinander auf der Zentralachse. Die jeweilige Aufnahme ist bevorzugterweise als ein Querpresssitz ausgeführt, sodass bei einem Erwärmen der Halterung durch deren thermische Ausdehnung die Düse in die Aufnahme eingeschoben werden kann. Beim Abkühlen entsteht dann eine hochfeste, hochpräzise und dichte Verbindung, die durch erneutes Erwärmen vorteilhaft auch wieder lösbar ist. Zweckmäßigerweise weisen die Düsen einerseits und die Halterungen andererseits möglichst unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass es möglich ist, eine Erwärmung der Halterungen langsam in einem handelsüblichen Labortrockenofen durchzuführen, sodass spezielle Induktionsgeräte, wie z.B. aus dem Werkzeugmaschinenbereich, nicht benötigt werden. Eine geeignete Materialwahl mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist beispielsweise Borosilikatglas für die Düsen und PEEK (Polyether-Etherketon) oder rostfreier Stahl für die Halterungen.

Die innerste Halterung bildet ein Zentrum der gesamten Extrusionsbaugruppe und ist im Gegensatz zu den anderen Halterungen vergleichsweise massiv ausgeführt, nämlich vorzugsweise als massiver Zylinder und nicht bloß als Hohlzylinder. In diese innerste Halterung sind dann - unbeachtlich der bevorzugten Rotationssymmetrie - vorzugsweise mehrere Kanäle zur Führung der diversen Medien eingebracht. Die Kanäle sind beispielsweise jeweils als Bohrung in der innersten Halterung ausgeführt. Die Kanäle führen jeweils letztendlich zu einer der Düsen in den unterschiedlichen Halterungen. Einer der Kanäle führt zunächst zur innersten Düse, dieser Kanal verläuft geeigneterweise entlang der Zentralachse und wird daher auch als Zentralkanal bezeichnet. Die übrigen Kanäle verlaufen dann exzentrisch, d.h. in radialer Richtung in einem Abstand zur Zentralachse, und zu dieser entweder parallel oder geneigt, je nach Dimensionierung der Halterungen und einem eventuellen Bauraumbedarf für insbesondere standardisierte Medienanbindungen. Ein jeweiliger Kanal weist beispielsweise einen Durchmesser von 0,5 mm bis 1 mm auf. Die Medienanbindungen, z.B. HPLC-Fittings, sind vorzugsweise rückseitig an der innersten Halterung ausgebildet. Alternativ weist jede der Halterungen eine eigene Medienanbindung auf, welche über einen Kanal in der entsprechenden Halterung mit der Aufnahme und der darin befestigten Düse verbunden ist. Die Zusammenfassung der Medienanbindungen und Kanäle in einer der Halterungen, speziell in der innersten Halterung, ist jedoch bevorzugt.

In einer Ausgestaltung mit drei Halterungen/Düsen führt zweckmäßigerweise einer der Kanäle durch die innerste Halterung und mündet frontseitig davon in einen Kopfraum, welcher in axialer Richtung zwischen der innersten Halterung und der darauffolgenden mittleren Halterung ausgebildet ist. In Kombination mit der innersten Düse ist dieser Kopfraum ringförmig. Das zweite Medium, welches über den genannten Kanal frontseitig aus der innersten Halterung austritt, gelangt dann in den Kopfraum und wird dort von außen an der innersten Düse entlanggeführt, um schließlich durch die entsprechende mittlere Düse insbesondere ringförmig auszu- treten. Das Gleiche gilt analog für die nächste äußerste Düse, mit dem Unterschied, dass das zugehörige dritte Medium nicht frontseitig aus der innersten Halterung austritt, sondern zweckmäßigerweise seitlich, d.h. in radialer Richtung, und zunächst in einen Ringkanal in der mittleren Halterung geführt wird, von wo aus das dritte Medium z.B. durch einen oder mehrere Kanäle in axialer Richtung in einen Kopfraum zwischen mittleren und der äußersten Halterung geführt wird. Von dort aus wird das dritte Medium dann analog zum zweiten Medium ringförmig zwischen mittlerer und äußerster Düse geführt und schließlich frontseitig ausgegeben.

Wie bereits beschrieben, sind zumindest zwei der Halterungen, vorzugsweise alle Halterungen, mittels eines Lagers aneinander gelagert. Dabei sind je zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgende Halterungen insbesondere mittels eines einzelnen Lagers aneinander gelagert. Bei drei Halterungen sind demnach zwei Lager ausgebildet. Ein jeweiliges Lager ist geeigneterweise gebildet aus einer Lagerinnenfläche und einer Lageraußenfläche, welche die Lagerinnenfläche umgreift. Vorzugswiese liegt die Lageraußenfläche in radialer Richtung an der Lagerinnenfläche an, sodass das Lager ein Gleitlager ist. Die Lageraußenfläche ist geeigneterweise eine Lagerbohrung. Bei zwei aneinander gelagerten Halterungen ist die Lagerbohrung innerhalb der äußeren der beiden Halterung ausgebildet und insbesondere eine Innenwand dieser Halterung. Diese Innenwand entspricht dann der Lageraußenfläche des Lagers. Zugleich ist die innere Halterung in die Lagerbohrung eingesetzt, sodass sich der bereits genannte Schichtaufbau der Halterungen ergibt. Die Lagerinnenfläche ist demgegenüber ein Teil einer Außenwand der inneren der beiden Halterungen. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Lagerinnenfläche vollständig oder überwiegend der Außenwand entspricht, bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher die Lagerinnenfläche lediglich abschnittsweise ausgebildet ist, nämlich lediglich als einer oder mehrere Lagerbereiche, in welchen die Außenwand einen vergrößerten Durchmesser aufweist, d.h. die Lagerinnenfläche steht gegenüber der übrigen Außenwand an einer oder mehreren Positionen in radialer Richtung hervor, sodass hier Lagerbereiche gebildet sind (äquivalent hierzu ist eine umgekehrte Ausgestaltung, bei welcher die Lagerbereiche als Teile der Lageraußenfläche ausgebildet sind, d.h. dann als ringförmige und in radialer Richtung nach innen ragende Bereiche der Innenwand der äußeren Halterung, was jedoch schwieriger zu fertigen ist). Die Lagerbohrung ist eine möglichst präzise bearbeitete Bohrung, die Lagerinnenfläche weist einen oder mehrere dazu passend bearbeitete und vorzugsweise schmale, tragende, zylindrische Bereiche, nämlich die genannte Lagerbereiche, als Teil einer Außenwand der jeweils inneren Halterung auf. Ein jeweiliger Lagerbereich ist somit insbesondere ringförmig. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von Lagern ausgegangen, welche jeweils mehrere, insbesondere zwei Lagerbereiche aufweisen. Bei einem Lager mit mehreren Lagerbereichen weisen diese vorzugsweise den gleichen Durchmesser auf. Ein jeweiliges Lager dient insbesondere zur Axialverschiebung im Extrusionsbetrieb, im Justierbetrieb und zum stabilen Zusammenhalt der Extrusionsbaugruppe in radialer Richtung im Werkzeugwechselbetrieb. Eine zentrale Bedeutung besteht zusätzlich vor allem in der Stabilisierung der beiden Halterungen beim Ineinandersetzen im Montagebetrieb.

Demnach dient in einer geeigneten Ausgestaltung das Lager zur Stabilisierung und Führung der Halterungen und zu deren koaxialer Ausrichtung beim Ineinandersetzen während einer Montage (d.h. beim Montagebetrieb). Dabei weist das Lager zumindest einen Lagerbereich auf, welcher derart ausgebildet und angeordnet ist, dass beim Ineinandersetzen der Halterungen der Lagerbereich stets eine Führung derart gewährleistet, dass in radialer Richtung ein Spiel einer inneren, insbesondere auskragenden, der Düsen in keinem Bereich ein vorgegebenes Spaltmaß zu einer äußeren der Düsen überschreitet, um eine Beschädigung der Düsen beim Ineinandersetzen zu vermeiden. Demnach ist der Lagerbereich derart positioniert und ausgebildet, dass dieser mit der Lagerbohrung des Lagers beim Ineinandersetzen spätestens dann zusammenwirkt, wenn das vorgegebene Spaltmaß unterschritten wird. Mit anderen Worten: das Lager ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass eine Beschädigung der regelmäßig sehr fragilen Düsen beim Ineinandersetzen möglichst verhindert wird. Aufgrund der antizipierten kleinen Extrusionsdurchmesser beträgt ein minimales (und somit vorgegebenes) Spaltmaß zwischen den koaxial montierten Düsen im Extrusions-, Werkzeugwechsel- und Justierbetrieb geeigneterweise stets weniger als 200 pm, je nach Form und Durchmessern der verwendeten Düsen oft sogar nur wenige Mikrometer. Die Lager sind also ausreichend steif und spielfrei, um eine asymmetrische Position und dadurch unregelmäßige Wandstärke im Extrusionsbetrieb oder gar eine Berührung der Düsen trotz der genannten, geringen Spaltmaße unter allen Umständen zu vermeiden. Daher sind die Passungen zwischen den Lagerinnenflächen und Lageraußenflächen vorteilhafterweise als eng tolerierte Übergangspassungen ausgelegt.

Um die Reibung gering zu halten und die tribologischen Eigenschaften zu verbessern ist in einer geeigneten Ausgestaltung bei zumindest einem Lager die Lagerinnenfläche in zwei insbesondere schmale Bereiche geteilt, welche möglichst weit auseinanderliegen, um dennoch eine möglichst hohe Steifigkeit zu gewährleisten. Mit anderen Worten und allgemeiner: das Lager weist zwei jeweils insbesondere schmale Lagerbereiche auf, welche in axialer Richtung betrachtet möglichst weit voneinander beabstandet sind. Die Lagerbohrung ist insbesondere derart lang ausgeführt, dass das Lager eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Das bedeutet, dass mindestens ein Teil der Lagerinnenfläche (d.h. wenigstens einer von gegebenenfalls mehreren Lagerbereichen) in die Lagerbohrung eingefahren ist, wenn die Mündung der inneren Düse in den Schaftbereich (rückseitiger Abschnitt einer Düse) der äußeren Düse einfährt. Das zulässige radiale Spiel an der auskragenden Spitze (frontseitiger Abschnitt einer Düse) der Düse hin zur Innenwand der äußeren Düse beruht auf der begrenzten Steifigkeit der Lagerung und der Toleranz der Passung und ist demnach zweckmäßigerweise kleiner als das Spaltmaß zwischen innerer und äußerer Düse. Spätestens wenn die Mündung der inneren Düse in den gezogenen, schmäleren Teil der äußeren Düse einfährt trägt das gesamte Lager, indem wenigstens zwei und vorzugsweise sämtliche Lagerbereiche in die Lagerbohrung eingefahren sind. Bei besonders geringen Spaltmaßen bereits im Schaftbereich der äußeren Düse tragen dagegen geeigneterweise bereits beim Einfahren der inneren Düse in den Schaftbereich wenigstens zwei oder sämtliche Lagerbereiche.

Vorzugsweise weist das Lager wenigstens zwei Lagerbereiche auf, nämlich einen vorderen Lagerbereich, welcher in axialer Richtung frontseitig angeordnet ist, und einen hinteren Lagerbereich, welcher in axialer Richtung rückseitig angeordnet ist. Der vordere und der hintere Lagerbereich sind derart in axialer Richtung hintereinander angeordnet und voneinander beabstandet, dass zu jedem Zeitpunkt während der Extrusion (d.h. während des Extrusionsbetriebs) beide Lagerbereiche tragen, d.h. greifen und in Kontakt mit der Lageraußenfläche stehen. Dadurch sind eine ausreichende Führung und Steifigkeit der Lagerung gewährleistet und damit ist die koaxiale Ausrichtung der montierten Düsen zu jedem Zeitpunkt garantiert.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist der vordere Lagerbereich in axialer Richtung durch eine ringförmige Nut unterbrochen, also zweigeteilt, nämlich in zwei jeweils insbesondere ringförmige Teilbereiche. So wird das Einführen der inneren Halterung in die äußere Halterung erleichtert und ein Verkanten auf den ersten Millimetern vermieden. In axialer Richtung gemessen ist die Nut vorzugsweise 0,5-mal bis 3-mal so lang wie einer der beiden daran angrenzenden Teilbereiche dieses vorderen Lagerbereichs. Die Nut ist nicht zwingend genauso tief wie der Lagerbereich gegenüber der übrigen Außenwand hervorsteht. Die Lagerung ist somit entsprechend den verschiedenen Betriebsmodi geeignet ausgelegt. Im Extrusionsbetrieb werden die Halterungen relativ zueinander lediglich soweit verschoben, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl der vordere als der hintere Lagerbereich greifen, so dass bei der Extrusion maximale Stabilität gewährleistet ist. Im Werkzeugwechsel- und Justierbetrieb greifen ebenfalls stets beide Lagerbereiche um maximale Stabilität zu gewährleisten und die empfindlichen Düsen zu schützen. Im Montagebetrieb dagegen stabilisiert zuerst der vordere Lagerbereich so früh wie möglich die Halterungen beim Ineinandersetzen, der hintere Lagerbereich greift dann erst später beim weiteren Ineinanderschieben.

Insbesondere weist die äußere der beiden Halterungen gegenüber der inneren der beiden Halterungen im Montagebetrieb einen maximalen Verschiebeweg auf, welcher vorzugsweise wenigstens einer Länge der Düse der äußeren Halterung entspricht. Um eine maximale Führungsgenauigkeit und Steifigkeit zu gewährleisten ist der Abstand der beiden Lagerbereiche des Lagers in axialer Richtung zudem möglichst groß gewählt. Dieser Abstand der beiden Lagerbereiche in Verbindung mit einem Überstand der Lagerbohrung der äußeren der zwei Halterungen über den hinteren Lagerbereich hinweg definieren insbesondere den maximalen Verschiebeweg zwischen den beiden Halterungen im Montagebetrieb bei vollständiger Führung des Lagers (d.h. wenn sämtliche Lagerbereiche greifen). Daraus ergibt sich dann die maximal mögliche Länge des gezogenen Bereichs der äußeren Düse, bei niedrigen Spaltmaßen zwischen der inneren und der äußeren Düse im Schaftbereich sogar die maximale Länge der gesamten äußeren Düse.

Der benötigte und genutzte Verschiebeweg ist insbesondere abhängig vom Betriebsmodus. Der maximale Verschiebeweg unterscheidet sich in den Betriebsmodi insbesondere um mehrere Größenordnungen, wobei im Extrusionsbetrieb der maximale Verschiebeweg kleiner ist als im Justierbetrieb und deutlich kleiner als im Montagebetrieb. Im Extrusionsbetrieb beträgt der maximale Verschiebeweg vorzugsweise wenige Mikrometer bis wenige hundert Mikrometer. Im Justierbetrieb beträgt der Verschiebeweg bis zu wenigen Millimetern. Im Montagebetrieb beträgt der maximale Verschiebeweg mindestens die gesamte Länge der äußeren Düse inklusive Schaft, also mehrere Millimeter, geeigneterweise im Bereich von 10 mm bis 40 mm. Die Lager sind jeweils durch ihre zwei tragenden Lagerbereiche derart ausgebildet, dass eine statische Überbestimmung vermieden wird. Die hier beschriebenen Verschiebewege beschreiben lediglich die Verschiebung der Halterungen relativ zueinander. Demgegenüber ist die komplette Extrusionsvorrichtung insgesamt im Grunde beliebig weit verschiebbar, sodass beliebig lange Hohlstrukturen herstellbar sind.

Allgemein sind die hier beschriebenen Lager zweckmäßigerweise jeweils als Gleitlager ausgeführt. Zweckmäßigerweise sind möglichst geringe Toleranzen der Lager sowohl zueinander als auch bezüglich der Zentralachse und den Aufnahmen für die Düsen durch einen geeigneten Herstellungsprozess für die Lager gewährleistet, z.B. Hochpräzisionsdrehen und/oder Rundschleifen, Läppen und Honen. Die dadurch erreichte Oberflächengüte bzw. Rautiefe ist derart gewählt, dass möglichst optimale tribologische Eigenschaften erzielt werden. Abseits der genannten Gleitlager ist auch eine Ausgestaltung der Lager als hydrostatische oder aerostatische Lager geeignet; die hier gemachten Ausführungen speziell zur Anordnung und Dimensionierung gelten entsprechend auch für diese und andere Typen von Lagern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung fungiert einer der Lagerbereiche als ein Dichtbereich, was die Anforderungen an die Oberflächengüte, Rautiefe, enge Form-, Maßtoleranzen und Passungen weiter untermauert. Geeigneterweise weist zur Verbesserung der Dichtwirkung zumindest eines der Lager einen Lagerbereich auf, welcher durch einen Ringkanal für eines der Medien zweigeteilt ist, sodass ein anderes der Medien, welches durch einen Dichtspalt des Lagers in den Ringkanal eindringt mit dem Medium im Ringkanal zusammengeführt wird, zum Abdichten des Dichtspalts. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ohnehin ein durch eine schmale Nut zweigeteilter Lagerbereich zur Stabilisierung im Montagebetrieb wie oben beschrieben vorhanden ist, sodass dieser dann gleichermaßen zu Dichtzwecken eingesetzt wird. Der Dichtspalt ist zwischen Lagerinnenfläche und Lageraußenfläche ausgebildet, welche zwar aneinander anliegen, aber typischerweise nicht beliebig dicht. Der hier erwähnte Ringkanal entspricht damit vorzugsweise dem weiter oben bereits beschriebenen Ringkanal für das zweite Medium im Falle von drei Halterungen/Düsen. Das Abdichten erfolgt insbesondere durch Ausbildung einer Reaktivdichtung beim Zusammenführen der beiden Medien. Der zweigeteilte Lagerbereich ist vorzugsweise der oben bereits genannte vordere Lagerbereich. Die beiden genannten Medien sind vorzugsweise das bereits erwähnte Wandungsmaterial und der Härter, welche bei Kontakt reagieren, sodass das Wandungsmaterial aushärtet und auf diese Weise eine Reaktivdichtung bildet, welche das Lager abdichtet. Eine solche Abdichtung ist besonders zweckmäßig mit geringer werdendem Innendurchmesser der Düsen, da damit ein höherer Druck zur Extrusion der Medien nötig ist und die Gefahr einer Leckage durch den Lagerbereich steigt.

Im Ausführungsbeispiel mit drei Halterungen weist vorzugsweise die innerste Halterung den zweigeteilten, vorderen Lagerbereich zu Dichtzwecken auf, zur Lagerung an der mittleren Halterung. Das dritte Medium, vorzugsweise der Härter, wird aus dem Kanal der innersten Halterung seitlich in den Ringkanal geführt, um schließlich von dort in den Kopfraum zwischen mittlerer und äußerster Halterung geführt zu werden. Entsprechend ist der Ringkanal in radialer Richtung durch die Außenwand der innersten Halterung und die Innenwand der mittleren Halterung begrenzt, sowie in axialer Richtung durch zwei Teilflächen des vorderen Lagerbereichs. Die vordere Teilfläche des vorderen Lagerbereichs bildet mit der Innenwand der mittleren Halterung den Dichtspalt aus, welcher den Ringkanal mit dem Kopfraum zwischen innerer und mittlerer Halterung verbindet. In diesen Kopfraum wird das zweite Medium geführt. Über den Dichtspalt ist dann im Fall einer Leckage eine Zusammenführung des ersten und des zweiten Mediums möglich. Bei einer möglichen Undichtigkeit des Lagers wird dieses dann zumindest im Bereich des Dichtspalts am vorderen Teilbereich des Lagerbereichs durch die entstehende Reaktivdichtung abgedichtet. Abseits der hier beschriebenen Ausgestaltung sind aber auch andere Konstellationen denkbar, z.B. eine Vertauschung der beiden Medien. Die hier vorgestellte Ausgestaltung, bei welcher der Härter über die äußerste Düse extrudiert wird, hat jedoch den Vorteil, dass ein Verluststrom des Härters weniger nachteilig ist als ein Verluststrom des Wandungsmatenals, sodass die Abdichtung lediglich des vorderen Lagerbereichs mit der Reaktivdichtung ausreichend ist und eine zusätzliche Abdichtung des hinteren Lagerbereichs nicht erforderlich ist.

Der vordere Lagerbereich, unabhängig davon ob er zweigeteilt ist oder nicht, ist vorzugsweise möglichst nahe einer Stirnseite der betreffenden Halterung ausgebildet, d.h. schließt sich unmittelbar bündig an die Stirnseite der Halterung an oder ist zumindest auf den ersten 1 bis 3 mm der Außenwand angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass schon besonders früh beim Aufsetzen der einen Halterung auf die andere Halterung durch das Lager eine statisch bestimmte Führung der beiden Halterungen relativ zueinander gewährleistet ist und ein Verkanten vermieden wird. Dieser Vorteil wird bei dem genannten zweigeteilten Lagerbereich noch verstärkt, und zwar unabhängig von der Begrenzung des Ringkanals und der beschriebenen Abdichtung.

In einer ebenfalls vorteilhaften Ausprägung ist ein separater Dichtbereich in axialer Richtung vor den beiden Lagerbereichen angeordnet. Dies erfolgt bevorzugt, um das Kopfvolumen zwischen den beiden Halterungen zu verringern, also einen kleineren Durchmesser des flüssigkeitsführenden Kopfbereichs und damit des Totvolumens in der Extrusionsbaugruppe zu erreichen. Um statische Überbestimmung zu vermeiden ist dieser Dichtbereich in Gestalt und Material zweckmäßigerweise deutlich weicher und flexibler als der Lagerbereich gestaltet. Das erfolgt z.B. durch schmalere berührende Bereiche in axialer Richtung oder durch Einbringen einer zusätzlichen dynamischen Dichtung aus weicherem Material. Passend zu der äußeren Geometrie der inneren Halterung in diesem Dichtbereich, die ungeachtet des geringeren Durchmessers ansonsten wie zuvor beschrieben umgesetzt werden kann, ist auch in der äußeren Halterung eine in axialer Richtung zuvor angeordnete Bohrung mit passendem Durchmesser für die äußeren Dichtbereiche vorhanden. Der Verschiebeweg des Dichtbereichs entspricht geeigneterweise mindestens dem nötigen Verschiebeweg im Extrusionsbetrieb und Justierbetrieb.

Falls der verringerte Durchmesser im Dichtungsbereich der Halterung nicht für einen Querpresssitz ausreicht, z.B. da nicht genug Material für eine rein elastische reversible Klemmung vorhanden ist, wird die Aufnahme für die Düse zweckmäßigerweise bis in den Bereich des Lagers hinter dem zusätzlichen Dichtbereich ausgedehnt. Dadurch verlängert sich jedoch die jeweilige Düse im Schaftbereich. Die Länge der Lagerung (d.h. insbesondere der Abstand zwischen vorderem und hinterem Lagerbereich) ist jedoch weiterhin von der Länge der Düsen abhängig, wodurch die gesamte Baugruppe verlängert ausfällt.

Wie bereits angedeutet weist eine der Halterungen, bevorzugt die innerste Halterung, insbesondere entlang der Zentralachse einen Kanal für eines der Medien auf. Dieser Kanal weist zweckmäßigerweise eine Engstelle auf, mit einem Durchmesser, welcher einem Innendurchmesser der Düse entspricht, welche an den Kanal angeschlossen ist. Dadurch wird eine besonders scherarme Übergabe des Mediums vom Kanal an die Düse realisiert. Die Engstelle ist im Querschnitt entlang der Zentralachse betrachtet beispielsweise einfach ein konstanter, reduzierter Innendurchmesser, sodass im Kanal als ein Übergang zur Engstelle eine einfache Stufe ausgebildet ist. Eine solche Stufe ist besonders einfach mit entsprechenden Bohrern herstellbar. Im Zusammenhang mit der Stufe ist auch eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei weicher ein Schlauch, mit welchem das Medium in die Halterung geführt werden soll, bis zur Engstelle in den Kanal eingeschoben wird und an der Stufe anschlägt und dann den gleichen Innendurchmesser wie die Engstelle und die Düse aufweist, sodass das Medium bis in die Düse hinein überhaupt keine Durchmesseränderung erfährt. Der Innendurchmesser ändert sich dann insbesondere erst im Verlauf entlang der Düse.

In einer geeigneten Ausgestaltung sind je zwei aneinander gelagerte Halterungen aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Mit anderen Worten: die Halterungen sind abwechselnd aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt, z.B. PEEK einerseits und rostfreier Stahl andererseits. Dadurch werden optimale tribologische Eigenschaften erreicht und die relative Verschiebbarkeit verbessert. Diese Ausgestaltung ist speziell bei einer Lagerung der Halterungen aneinander mittels Gleitlagern vorteilhaft. Alternativ sind sämtliche Halterungen aus dem gleichen Material gefertigt, wodurch sich eine erhöhte Stabilität ergibt. Dies ist besonders in Kombination mit hydrostatischen oder aerostatischen Lagern vorteilhaft.

Die Extrusionsbaugruppe, weist geeigneterweise ein oder mehrere Formmerkmale für einen automatisierten „Werkzeugwechsel“ auf, also einen automatisierbaren Wechsel von Extrusionsbaugruppen in der Extrusionsvorrichtung. Ein geeignetes Formmerkmal ist z.B. eine umlaufende Nut, um eine formschlüssige, leicht lösbare Unterbringung in einem Magazin zu ermöglichen, z.B. in einem Rotationswerkzeugmagazin mit Halteklammem.

Die Werkzeugwechselbaugruppe dient insbesondere als Haltervorrichtung für die Extrusionsbaugruppe im Betrieb (insbesondere Extrusions- und Justierbetrieb), d.h. während der Herstellung einer Hohlstruktur und der vorbereitenden Feinjustierung. Die Werkzeugwechselbaugruppe verspannt die Halterungen derart insbesondere mit der Lineareinheit, dass diese Halterungen nach Bedarf in axialer Richtung relativ zueinander präzise verschiebbar sind und ansonsten möglichst optimal fixiert und relativ zur Lineareinheit zentriert sind. Hierfür weist in einer geeigneten Ausgestaltung die Extrusionsvorrichtung, speziell die Werkzeugwechselbaugruppe, für jede Halterung eine Klemmvorrichtung auf, zum Halten und Fixieren der jeweiligen Halterung. Eine jeweilige Klemmvorrichtung weist einen Zugarm und einen Druckarm auf, welche eine jeweilige Halterung umfangsseitig umgreifen, sodass eine jeweilige Halterung in axialer Richtung zwischen Zugarm und Druckarm eingeklemmt ist. Entsprechend wird unter „umfangsseitig umgreifen“ vorrangig insbesondere verstanden, dass der Zugarm und der Druckarm die Halterung um laufen und zwischen sich festhalten.

Der Zugarm und der Druckarm sind insbesondere jeweils rohrförmig ausgebildet und werden dann auch als Zugrohr und Druckrohr bezeichnet. Bei den äußeren Halterungen ist der Druckarm in den Zugarm eingesetzt, bei der innersten Halterung ist dagegen umgekehrt der Zugarm in den Druckarm eingesetzt. Eine jeweilige äußere Halterung weist dann eine geeignete Umfangskontur auf, welche zwischen dem Zugarm und dem Druckarm eingespannt ist. Bei der innersten Halterung ist dies jedoch umgekehrt, dort zieht der Zugarm die Halterung in den Druckarm hinein und spannt dadurch die Halterung fest. Hierfür ist hinter der Umgangskontur der innersten Halterung an dieser geeigneterweise noch eine Nut oder Hin- terschneidung ausgebildet, um ein Eingreifen des Zugarms zu ermöglichen. Der Zugarm und der Druckarm einer jeweiligen Klemmvorrichtung sind mittels eines Lagers, z.B. Gleitlagers, gegeneinander gelagert und in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar, zum Einspannen der jeweiligen Halterung. Insbesondere ist bei einer jeweiligen äußeren Klemmvorrichtungen der Druckarm im Zugarm gelagert, sodass dieser Zugarm durch die Antriebseinheit exakt an die jeweilige Halterung gefahren werden kann, um diese zu fixieren. Der zugehörige Druckarm wird mit dem Zugarm gemeinsam verschoben und spannt dann synchron die Halterung vor, ohne dabei die entsprechende Halterung relativ zu den anderen Halterungen zu verschieben und damit ungewollt beim Werkzeugwechsel (d.h. im Montagebetrieb) eines der Medien zu extrudieren oder gar einzusaugen. Die Zugarme sind jeweils insbesondere mit der Antriebseinheit verbunden, sodass mit den Zugarmen letztendlich die relative Verschiebbarkeit realisiert wird. Eine Verschiebung des Druckarms relativ zum Zugarm zum Vorspannen oder Freigeben der jeweiligen Halterung erfolgt beispielsweise mittels Druckluft. Das Verspannen erfolgt mit der Klemmvorrichtung vorzugsweise frontseitig, wohingegen deren Lager und Druckluftzylinder geeigneterweise rückseitig angeordnet sind.

In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Umfangskontur zum Verspannen durch einen Konus einer jeweiligen Halterung gebildet und die Klemmvorrichtung weist einen entsprechenden Innenkonus auf. Dabei ist der Innenkonus bei den äußeren Halterungen beispielsweise am jeweiligen Zugarm ausgebildet und bei der innersten Halterung dann umgekehrt am Druckarm, sodass die jeweilige Halterung durch axialen Zug in der Werkzeugwechselbaugruppe fixiert und zentriert wird. Weiter weist ein jeweiliger Konus speziell der äußeren Halterungen zweckmäßigerweise eine Planfläche auf, welche sich in radialer Richtung erstreckt und entsprechend insbesondere ringförmig ausgebildet ist. Die Planfläche dient als Anschlag für den Druckarm, sodass es dann vorteilhaft möglich ist, die entsprechende Halterung vorzuspannen und damit eine spielfreie Verbindung zu ermöglichen. Ebenfalls geeignet ist auch eine umgekehrte Ausgestaltung, bei welcher der Innenkonus bei den äußeren Halterungen am jeweiligen Druckarm ausgebildet und bei der innersten Halterung dann umgekehrt am Zugarm; dabei sind dann analog der jeweilige Konus und dessen Planfläche entsprechend umgedreht orientiert. Ein Winkel des Konus und des Innenkonus relativ zur Zentralachse ist dabei derart gewählt, dass dieser einerseits nicht selbsthemmend wirkt, dass jedoch andererseits auch eine möglichst gute Zentrierung ermöglicht wird. Geeignet ist beispielsweise ein Winkel von 9° und allgemein ein Winkel im Bereich von 5° bis 20°.

Der Konus der innersten Halterung ist vorzugsweise in axialer Richtung hinter dem oben genannten Formmerkmal (z.B. Nut) für den Werkzeugwechsel ausgebildet. Die Konusse der äußeren Halterungen sind zweckmäßigerweise entgegengesetzt zum Konus der innersten Halterung geneigt, sodass durch einen jeweiligen Innendruck in den Kopfräumen zwischen den Halterungen die innerste Halterung und die äußeren Halterungen in entgegengesetzte Richtung gedrückt werden und dadurch über die Konusse in der Werkzeugwechselbaugruppe stärker verspannt werden. Auf diese Weise wird eine optimale Fixierung und Zentrierung realisiert. Im Werkzeugwechselbetrieb werden zunächst die äußeren Klemmvorrichtungen entriegelt, indem die zugehörigen Druckarme und Zugarme auseinandergefahren werden, wodurch die äußeren Halterungen freigegeben werden. Die Extrusionsbaugruppe ist dann lediglich noch durch die innerste Klemmvorrichtung fixiert. Nun wird die Extrusionsvorrichtung von der Maschinenkinematik an ein Werkzeugmagazin bzw. einen Werkzeugwechsler herangefahren und die Extrusionsbaugruppe in die Haltklammer des Magazins geschoben, insbesondere an der oben beschriebenen Nut. Daraufhin wird auch die letzte, innerste Klemmvorrichtung entriegelt, sodass die Extrusionsbaugruppe vollständig freigegeben ist und nun nur von der Haltklammer des Werkzeugwechslers bzw. Magazins gehalten wird. Die Werkzeugwechselbaugruppe fährt daraufhin von der Extrusionsbaugruppe weg und gibt sie damit frei. Zum Verriegeln einer Extrusionsbaugruppe in der Werkzeugwechselbaugruppe wird entsprechend umgekehrt vorgegangen.

Geeigneterweise weisen die Klemmvorrichtungen der Werkzeugwechselbaugruppe im Bereich der Extrusionsbaugruppe jeweils eine seitliche Aussparung (auch als Fenster bezeichnet) auf, um einen seitlichen Ein- bzw. Austritt der Extrusionsbaugruppe und Medienanbindungen in Form von Polymerschläuchen in die Werkzeugwechselbaugruppe zu ermöglichen und damit auch einen Werkzeugwechsel zu ermöglichen. Die Aussparungen erstrecken sich umfangsseitig geeigneterweise um ein Viertel bis ein Drittel eines Umfangs der jeweiligen Klemmvorrichtung.

Die Zugarme sind vorzugsweise freischwingend und werden geeigneterweise durch die bereits erwähnte Antriebseinheit in axialer Richtung fixiert und auch positioniert. Auf diese Weise wird insbesondere auch die relative Verschiebbarkeit der Halterungen realisiert. Die Antriebseinheit ist insbesondere derart ausgebildet, dass eine axiale Zug- und Drucksteifigkeit gewährleistet ist, zur Aufnahme von Kräften und zur präzisen Positionierung, d.h. Verschiebung, bei zugleich leichter radialer Flexibilität, um eine statische Überbestimmtheit zu vermeiden. Eine solche würde zu radialen Kräften auf die Lager der Extrusionsbaugruppe führen und damit zu einem schlechten tribologischen Verhalten. Die relative Verschiebbarkeit der Halterungen und Klemmvorrichtungen wird insbesondere mittels der Antriebseinheit realisiert, wohingegen eine Vorspannkraft der Klemmvorrichtungen separat von der relativen Verschiebbarkeit realisiert ist, vorzugsweise pneumatisch, z.B. mittels doppeltwirkender Pneumatikzylindern. In anderen Ausprägungen ist auch eine mechanische Vorspannung durch z.B. durch geeignete mechanische Elemente realisiert, z.B. durch Elektromotoren (Schritt- oder Servomotoren) aktuierte Gewinde oder Verriegelungswarzen.

Die Antriebseinheit ist geeigneterweise mit den Zugarmen zumindest der äußeren Klemmvorrichtungen der Werkzeugwechselbaugruppe verbunden, z.B. mittels Schraubflanschen. Die Antriebseinheit ist insbesondere eine möglichst kompakte Verbindung zweier Linearachsen zur Realisierung der relativen Verschiebbarkeit der Halterungen. Da die hier vorgestellte Extrusionsvorrichtung in einer geeigneten Ausgestaltung Teil einer additiven Fertigungsmaschine (z.B. eines Bioprinters) ist und dabei regelmäßig vollständig von einer Maschinenkinematik dieser Fertigungsmaschine bewegt werden muss, ist eine möglichst kompakte Ausgestaltung vorteilhaft. Darüber hinaus soll eine jeweilige Krafteinwirkung beider Linearachsen möglichst exakt in axialer Richtung in die Extrusionsbaugruppe übertragen werden. Speziell in der hier angenommenen Ausgestaltung mit drei Halterungen/Dü- sen für ein Stützmedium innen, ein Wandungsmaterial mittig und einen Härter außen wird im Betrieb regelmäßig eine relative Verschiebung der innersten Halterung zur mittleren und äußersten Halterung ausgeführt, wohingegen eine relative Verschiebung der äußersten Halterung zur mittleren Halterung im Vergleich hierzu seltener erforderlich ist. Das gleiche gilt auch für den beschriebenen Herstellungszyklus zur Herstellung von Verzweigungen in Hohlstrukturen. Daher wird die Antriebseinheit in einer geeigneten Ausgestaltung als eine Linearachse mit einem Kugelgewindetrieb mit einer Gewindespindel mit insbesondere geringer Steigung sowie mit einer festen Mutter und einer angetriebenen Mutter ausgeführt. Eine rotatorische Fixierung und lineare Führung der Muttem erfolgt beispielsweise mittels einer Profilschienenführung. Ein Antrieb erfolgt beispielsweise über Schrittmotoren und Riementriebe. Die feste Mutter ist dabei über eine geeignete Verbindung mit der mittleren Halterung verbunden, wohingegen die angetriebene Mutter ebenfalls über eine geeignete Verbindung mit der äußeren Halterung verbunden ist. Um nun die innerste Halterung relativ zu den übrigen Halterungen zu verschieben, wird lediglich die Gewindespindel angetrieben. Dabei bleiben die relativen Positionen der übrigen Halterungen zueinander erhalten. Um dagegen lediglich die äußerste Halterung relativ zu den übrigen Halterungen zu verschieben, wird die angetriebene Mutter bewegt, wobei wieder die relativen Positionen der übrigen Halterungen zueinander erhalten bleibt. Alternativ erfolgt ein Antrieb durch Motoren mit einer jeweiligen Hohlwelle oder durch rotatorische Direktantriebe (z.B. Torque-Motoren), welche in die Antriebseinheit integriert sind. Auch ein Aufbau mit Linearmotoren ist grundsätzlich geeignet.

Die gesamte Extrusionsvorrichtung ist vorteilhaft derart konstruiert, dass durch Hinzufügen weiterer, entsprechender Halterungen zur Extrusionsbaugruppe weitere Düsen hinzugefügt, koaxial positioniert, verschoben und betrieben werden können. Entsprechend werden auch weitere Klemmvorrichtungen zur Werkzeugwechselbaugruppe hinzugefügt und die Antriebseinheit weitergebildet, z.B. mit zusätzlichen angetriebenen Muttern. Durch eine solche Erweiterung wird dann beispielsweise die Herstellung von mehrschichtigen Mikrostrukturen für die Nachbildung von größeren Blutgefäßen (>100pm) mit komplexerer Morphologie ermöglicht.

Geeignete Pumpen (z.B. Spritzenpumpen), Ventile (z.B. Rotationsventile) und Verbindungselemente z.B. aus dem Chromatographiebereich, wie Fittings und Schläuche, gewährleisten insbesondere die Versorgung der Extrusionsvorrichtung mit vorteilhaft präzise dosierten, pulsationsfreien Volumenströmen. Eine hierfür geeignete Pumpensteuerung ist insbesondere mit einer Steuerung der Antriebseinheit verbunden oder gekoppelt, um bei einer relativen Verschiebung der Halterungen in axialer Richtung die resultierende Volumenänderung des jeweiligen Kopfraums insbesondere in Echtzeit zu kompensieren.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Extrusionsvorrichtung in einer Seitenansicht, Fig. 2 die Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1 in einer anderen Seitenansicht,

Fig. 3 die Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 4a eine Extrusionsbaugruppe der Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1 ,

Fig. 4b eine Detailansicht zur Fig. 4a,

Fig. 5a eine Werkzeugwechselbaugruppe der Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1 in verriegeltem Zustand,

Fig. 5b die Werkzeugwechselbaugruppe aus Fig. 5a in teilweise verriegeltem Zustand,

Fig. 5c die Werkzeugwechselbaugruppe aus Fig. 5a in entriegeltem Zustand,

Fig. 6 die Herstellung einer Abzweigung mittels der Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1 ,

Fig. 7 eine Hohlstruktur, hergestellt mittels der Extrusionsvorrichtung aus Fig. 1.

In den Fig. 1 , 2 und 3 ist in unterschiedlichen Ansichten ein Ausführungsbeispiel für eine Extrusionsvorrichtung 2 gezeigt, welche zur Herstellung einer Hohlstruktur 4 durch koaxiale Extrusion mehrerer Medien dient. Hierbei werden die Medien jeweils extrudiert und dabei zusammengeführt, um miteinander die Hohlstruktur 4 zu bilden. Eine beispielhafte Hohlstruktur 4 ist in Fig. 7 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eines der Medien ein Biomaterial und mindestens eines der Medien enthält Zellen sodass dann die Hohlstruktur 4 eine lebende Zellen enthaltende Biostruktur ist. Die hier beschriebene Extrusionsvorrichtung 2 ist aber sowohl zur Biofabrikation als auch für andere biotechnologische Bereiche, wie z.B. die Herstellung von Hohlfaserbioreaktoren oder Mikrokanalanordnungen für eine Zellkultur, geeignet. Eine Extrusionsbaugruppe 38, z.B. wie in Fig. 4a gezeigt, ist eine Teilbaugruppe der Extrusionsvorrichtung 2 und weist mehrere, hier drei Halterungen 6, 8, 10 auf, jeweils für eine Düse 12, 14, 16 zur Extrusion eines der Medien. Dies ist in Fig. 4a im Detail in einer Schnittansicht gezeigt. Dabei ist die jeweilige Düse 12, 14, 16 austauschbar und ein Verbrauchsmaterial. Fig. 4b zeigt eine Detailansicht der Düsen 12, 14, 16, welche frontseitig F der Halterungen 6, 8, 10 angeordnet sind. Die Halterungen 6, 8, 10 erstrecken sich in einer axialen Richtung A entlang einer Zentralachse Z und sind koaxial und konzentrisch angeordnet, zur koaxialen Anordnung der Düsen 12, 14, 16 ineinander. Alle Halterungen 6, 8, 10, folgen in einer radialen Richtung R senkrecht zur axialen Richtung A aufeinander und sind in dieser radialen Richtung R mittels eines jeweiligen Lagers aneinander gelagert, sodass die Halterungen in axialer Richtung A relativ zueinander verschiebbar sind, zur Einstellung der relativen axialen Positionen der jeweiligen Düsen 12, 14, 16. Dies wird auch als „relative Verschiebbarkeit“ oder „relative Verschiebung“ bezeichnet.

Diejenige der Halterungen 6, 8, 10, welche der Zentralachse Z am nächsten ist, wird auch als innerste Halterung 6 bezeichnet, alle übrigen Halterungen 8, 10 werden relativ hierzu als äußere Halterungen 8, 10 bezeichnet. Entsprechend wird diejenige der Halterungen 6, 8, 10, welche der Zentralachse Z am entferntesten ist, auch als äußerste Halterung 10 bezeichnet, alle übrigen Halterungen 6, 8 werden relativ hierzu auch als innere Halterungen 6, 8 bezeichnet. Diejenigen Halterungen 8, welcher weder die innerste noch die äußerste Halterung 6, 10 sind, werden - sofern vorhanden - auch als mittlere Halterungen 8 bezeichnet. Gelegentlich werden die Halterungen 6, 8, 10 zudem von innen nach außen durchnummeriert, wobei die innerste Halterung 6 die erste Halterung 6 ist, die darauffolgende Halterung 8 die zweite Halterung 8 und so weiter. Entsprechend ergibt sich, dass dieselbe Halterung 6, 8, 10 je nach Kontext unterschiedlich benannt sein kann. Die vorgenannten Benennungen gelten analog auch für die Düsen 12, 14, 16, Medien und sonstige Komponenten, welche in entsprechender Anzahl vorhanden sind. In Fig. 4a sind die Halterungen 6, 8, 10 in einer Querschnittansicht entlang der Zentralachse Z gezeigt. Wie aus Fig. 4a und 4b erkennbar ist, ergibt sich ein geschachtelter Aufbau, bei welchem die Halterungen 6, 8, 10 mit deren jeweiliger Düse 12, 14, 16 entlang der axialen Richtung A zusammengesetzt sind, sodass sich in radialer Richtung R ein Schichtaufbau ergibt, durch welchen die Medien dann während des Verfahrens konzentrisch extrudiert werden. Die Halterungen 6, 8, 10 sind hier jeweils zylinderförmig und rotationssymmetrisch ausgebildet. Die äußeren Halterungen 8, 10 sind jeweils als Hohlzylinder ausgebildet, um entsprechend eine oder mehrere Halterungen 6, 8 darin einzusetzen.

Die relative Verschiebbarkeit der Halterungen 6, 8, 10 und damit auch der Düsen 12, 14, 16 wird hier durch zwei Lager realisiert. Jedes dieser Lager weist einen vorderen Lagerbereich 18, 20 und einen hinteren Lagerbereich 22, 24 auf. Jeweils ein vorderer Lagerbereich 18, 20 und ein hinterer Lagerbereich 22, 24 bilden eine Lagerinnenfläche, welche an einer Lageraußenfläche anliegt, welche hier eine Innenwand 30 einer jeweiligen äußeren Halterung 8, 10 ist. Umgekehrt sind die Lagerinnenflächen ein Teil eine Außenwand 31 der jeweiligen inneren Halterung 6, 8. Die Lager fixieren die Halterungen 6, 8, 10 relativ zueinander in radialer Richtung R, erlauben jedoch eine Bewegung in axialer Richtung A. Dies ist speziell im Verfahren, also während der Herstellung der Hohlstruktur 4 möglich und wird entsprechend genutzt, um eine Hohlstruktur 4 mit lokal unterschiedlichen Formen und/oder Eigenschaften herzustellen.

Eine jeweilige Düse 12, 14, 16 weist frontseitig F eine Mündung 26 auf, durch welche das jeweilige Medium beim Extrudieren letztendlich austritt. Die verschiedenen Mündungen 26 sind hier der Einfachheit halber mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. In axialer Richtung A betrachtet ergibt sich dann zwischen den Mündungen 26 zweier Düsen 12, 14, 16 ein Abstand 28, welcher durch Verschieben der Halterungen 6, 8, 10 einstellbar ist.

Vorliegend ist zwar eine Ausgestaltung mit drei Halterungen 6, 8, 10 und entsprechend auch drei Düsen 12, 14, 16 für drei Medien gezeigt, die Ausführungen gelten jedoch allgemein für jede beliebige Anzahl an Halterungen 6, 8, 10, Düsen 12, 14, 16 und Medien. Tatsächlich ist die Extrusionsvorrichtung 2 einfach skalierbar, indem einfach nach Bedarf weitere Halterungen 6, 8, 10 und Düsen 12, 14, 16 hinzugefügt werden.

Eine jeweilige Düse 12, 14, 16 besteht in der gezeigten Ausgestaltung aus Glas und ist derart ausgebildet, dass die Hohlstruktur 4 mit einem Innendurchmesser 10 pm bis 200 pm hergestellt wird. Hierfür weist eine jeweilige Düse entsprechend zumindest frontseitig F, also im Bereich der Mündung 26, einen entsprechenden Innendurchmesser auf. Die hier gezeigten Düsen 12, 14, 16 sind jeweils eine gezogene und nachbearbeitete Mikrodüse aus einer Glaskapillare. Die Düse 12, 14, 16 ist demnach insgesamt nach vorn hin verjüngt ausgebildet, wie besonders gut in Fig. 4b erkennbar ist.

Welche Medien mit welchen der Düsen extrudiert werden ist im Grunde beliebig und je nach Bedarf anpassbar. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein erstes der Medien ein Stützmedium, speziell eine Zellsuspension, zum Ausfüllen eines Lumens 32 der Hohlstruktur 4 und Auskleidung deren Innenwand mit Zellen, ein zweites der Medien ist ein Wandungsmaterial, zur Ausbildung einer Wandung 34 der Hohlstruktur 4, und ein drittes der Medien ist ein Härter, zum Aushärten des zweiten Mediums beim Zusammenführen mit diesem. Das Stützmedium wird mit der ersten, innersten Düse 12 extrudiert, das Wandungsmaterial wird mit der zweiten, mittleren Düse 14 extrudiert und der Härter wird mit der dritten, äußersten Düse 16 extrudiert. Aus dem Wandungsmaterial wird dann die Wandung 34 hergestellt, indem das Wandungsmaterial mit dem Härter in Kontakt gebracht wird, sodass eine Aushärtung des Wandungsmaterials erfolgt. Der Härter wird hierbei von außen an das Wandungsmaterial herangeführt. Von innen wird dagegen das Stützmedium an das Wandungsmaterial herangeführt und stützt dieses somit während der Extrusion. Beispielhaft ist vorliegend das Wandungsmaterial ein Hydrogel, z.B. Alginat, der Härter ist Kalziumchlorid (CaCL), das Stützmedium ist eine Zellsuspension, z.B. mit Endothelzellen, um die Wandung 34 bei der Herstellung zugleich wie in Fig. 7 gezeigt von innen zu funktionalisieren, indem innenseitig an der Wandung Zellen 36 abgeschieden werden, um so eine zellbeschichtete Hohlstruktur 4 zu erhalten. In einer nicht gezeigten Variante wird kein Zweikomponentensystem aus Wandungsmaterial und Härter verwendet, sondern die Wandung 34 direkt durch Extrusion lediglich eines einzelnen Mediums hergestellt. Alternativ wird der Härter von innen an das Wandungsmaterial herangeführt und dieses dann von innen heraus ausgehärtet. In dieser Ausgestaltung dient der Härter zugleich als Stützmedium.

Die hier beschriebene Extrusionsvorrichtung 2 weist drei Teilbaugruppen auf, nämlich eine Extrusionsbaugruppe 38, eine Werkzeugwechselbaugruppe 40 und eine Antriebseinheit 42. Dabei enthält die Extrusionsbaugruppe 38 die Halterungen 6, 8, 10 und ermöglicht die Aufnahme der Düsen 12, 14, 16, die Führung und Anbindung der Medien zu den Düsen 12, 14, 16 und deren präzise, wiederholgenaue und einstellungsfreie Montage. Durch die Lager mit den Lagerbereichen 18, 20, 22, 24 werden die Halterungen 6, 8, 10 und die Düsen 12, 14, 16 exakt koaxial ausgerichtet. Eine beispielhafte Extrusionsbaugruppe 38 wurde bereits im Zusammenhang mit Fig. 4a beschrieben. Ein Ausführungsbeispiel für die Werkzeugwechselbaugruppe 40 ist in den Fig. 5a, 5b und 5c in verschiedenen Zuständen und ebenfalls in einer Schnittansicht entlang der Zentralachse Z gezeigt (die Extrusionsbaugruppe 38 ist nicht mitgeschnitten, zur übersichtlicheren Darstellung). Ein Ausführungsbeispiel für die Antriebseinheit 42 ist in den Fig. 1 , 2 und 3 erkennbar.

Die Werkzeugwechselbaugruppe 40 und die Antriebseinheit 42 sind an sich für die Grundfunktion der kontinuierlichen Extrusion optional, garantieren jedoch eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit und sind damit für den Justierbetrieb, Werkzeugwechselbetrieb und erweiterte Funktionen der Extrusion wie dynamische Änderungen der Strömungsverhältnisse oder die Herstellung von Verzweigungen vorteilhaft. So ermöglicht die Werkzeugwechselbaugruppe 40, mehrere Extrusionsbaugruppen 38 automatisiert zu wechseln und damit einen vollautomatisierten und volladditiven Herstellungsprozess zu gewährleisten. Mittels der Antriebseinheit 42 sind die Halterungen 6, 8, 10 automatisiert relativ zueinander verschiebbar, d.h. eine manuelle Einstellung oder Fixierung der Düsen 12, 14, 16 im Betrieb ist nicht erforderlich. Die Antriebseinheit 42 garantiert die automatisierte relative Verschiebbarkeit der Düsen 12, 14, 16 in axialer Richtung A im Betrieb, den Ausgleich von Toleranzen der verwendeten Düsen 12, 14, 16 in axialer Richtung A und die hochpräzise, individuelle, automatisierte Ansteuerung zur Aufnahme und Fixierung einer Extrusionsbaugruppe 38 beim Werkzeugwechsel.

Die axiale Verschiebbarkeit ermöglicht als einen neuen Herstellungsschritt oder - zyklus die Herstellung einer oder mehrerer Abzweigungen 44, wie beispielhaft in Fig. 6 illustriert ist. Bei Verwendung der Extrusionsvorrichtung wie oben beschrieben wird hierzu die innerste (auch innere) Halterung 6 in axialer Richtung A derart weit relativ zur mittleren Halterung 8 (welche relativ zur innersten Halterung 6 betrachtet auch eine äußere Halterung 8 ist) verschoben, sodass die innerste Düse 12 gegenüber der mittleren Düse 14 hervorsteht, nämlich frontseitig F, zum Anstechen einer bestehenden Hohlstruktur 4 zwecks Ausbildung der Abzweigung 44 durch Anformung einer weiteren Hohlstruktur 4 (in Fig. 6 durch eine gestrichene Linie angedeutet) an die bestehende Hohlstruktur 4. Die innerste Düse 12 wird somit einerseits genutzt, um in der Wandung 34 einer bestehenden Hohlstruktur 4 eine Öffnung zu erzeugen, als auch andererseits als Platzhalter für das Lumen 32 der anschließend hergestellten, weiteren Hohlstruktur 4, welche an die bestehende Hohlstruktur 4 angeformt wird. Hierzu wird - sofern erforderlich - die mittlere Düse 14 noch bis an die Wandung 34 der bestehenden Hohlstruktur 4 herangeschoben und dabei der Abstand 28 der Mündungen 26 der beiden Düsen 12, 14 wieder verringert. Darauffolgend wird über die mittlere Düse 12 das Wandungsmaterial extrudiert, sodass ein Anschluss an die bestehende Hohlstruktur 4 erfolgt. Dabei wird die mittlere Düse 14 gegebenenfalls wieder zurückgeschoben und entsprechend der Abstand 28 wieder vergrößert. Die innerste Düse 12 hält dabei eine Verbindung zum Lumen 32 der bestehenden Hohlstruktur 4 offen. Ab einem bestimmten Punkt, z.B. markiert durch einen vorgegebenen Abstand 28, erfolgt keine relative Verschiebung mehr und die innerste Düse 12 wird aus der bestehenden Hohlstruktur 4 herausgezogen und mit der mittleren Düse 14 mitgeführt. Die äußerste Düse 16 für den Härter wird dabei durchgängig mit der mittleren Düse 14 mitgeführt, sodass diese beiden Düsen 14, 16 nicht relativ zueinander verschoben werden. Die gesamte Extrusionsvorrichtung 2 wird dann ausgehend vom Beginn der angeformten Verzweigung unter kontinuierlicher Extrusion in koordinierter Bewegung der Maschinenkinematik (Bioprinter) weitergeführt, womit die seitliche Abzweigung als eigenständige Hohlstruktur 4 beliebig weiter extrudiert werden kann.

Die Halterungen 6, 8, 10 sind vorliegend jeweils als ein rotationssym metrisches Bauteil konzipiert. Jede Halterung 6, 8, 10 weist frontseitig F eine Aufnahme 48 für eine der Düsen 12, 14, 16 auf, sodass diese dann jeweils frontseitig in einer jeweiligen Halterung 6, 8, 10 montiert sind, wie z.B. in Fig. 4 erkennbar ist. Alle Aufnahmen 48 liegen hintereinander auf der Zentralachse Z. Die Aufnahmen sind hier jeweils als ein Querpresssitz ausgeführt.

Die innerste Halterung 6 bildet das Zentrum der gesamten Extrusionsbaugruppe 38 und ist im Gegensatz zu den anderen Halterungen 8, 10 vergleichsweise massiv ausgeführt, nämlich als massiver Zylinder und nicht bloß als Hohlzylinder. In diese innerste Halterung 6 sind dann - unbeachtlich der Rotationssymmetrie - mehrere Kanäle 50, 52, 54 zur Führung der diversen Medien eingebracht. Die Kanäle 50, 52, 54 führen jeweils letztendlich zu einer der Düsen 12, 14, 16 in den unterschiedlichen Halterungen 6, 8, 10. Der Kanal 50 führt zunächst zur innersten Düse 12 und verläuft entlang der Zentralachse Z. Die übrigen Kanäle 52, 54 verlaufen in radialer Richtung R in einem Abstand zur Zentralachse Z und vorliegend zu dieser geneigt, um nach vorn hin möglichst geringe Dimensionen zu realisieren und rückseitig B hinreichenden Bauraum für entsprechende Medienanbindungen 56 zu gewährleisten. Die Medienanbindungen 56 sind hier beispielhaft HPLC- Fittings.

In der hier gezeigten Ausgestaltung mit drei Halterungen 6, 8, 10 führt der Kanal 52 durch die innerste Halterung 6 und mündet frontseitig F davon in einen Kopfraum 58, welcher in axialer Richtung A zwischen der innersten Halterung 6 und der mittleren Halterung 8 ausgebildet ist. In Kombination mit der innersten Düse 12 ist dieser Kopfraum 58 ringförmig. Das zweite Medium, welches über den genannten Kanal 52 frontseitig F aus der innersten Halterung 6 austritt, gelangt in den Kopfraum 58 und wird dort von außen an der innersten Düse 12 entlang ge- führt, um schließlich durch die entsprechende mittlere Düse 14 ringförmig auszutreten. Das Gleiche gilt analog für die äußerste Düse 16, mit dem Unterschied, dass das zugehörige dritte Medium nicht frontseitig F aus der innersten Halterung 6 austritt, sondern seitlich, d.h. in radialer Richtung R, und zunächst in einen Ringkanal 60 in der mittleren Halterung 8 geführt wird, von wo aus das dritte Medium z.B. durch einen oder mehrere Kanäle 62 in axialer Richtung A in einen Kopfraum 64 zwischen der mittleren Halterung 8 und der äußersten Halterung 10 geführt wird. Von dort aus wird das dritte Medium dann analog zum zweiten Medium ringförmig zwischen mittlerer Düse 14 und äußerster Düse 16 geführt und schließlich frontseitig F ausgegeben.

Die hier gezeigte Extrusionsvorrichtung 2 weist vier Betriebsmodi auf. Ein erster Betriebsmodus ist ein Extrusionsbetrieb, in welchem die Hohlstruktur 4 hergestellt wird. Ein zweiter Betriebsmodus ist ein Montagebetrieb, in dem die einzelnen Halterungen 6, 8, 10 der Extrusionsbaugruppe 38 mit eingeschrumpften, also thermisch mittels Querpresssitz gefügten Düsen 12, 14, 16 ineinander eingeschoben werden um nachfolgend an die Medienleitungen angeschlossen und in einem Werkzeugmagazin oder direkt in die Werkzeugwechselbaugruppe 40 gespannt werden zu können. Ein dritter Betriebsmodus ist dann ein Werkzeugwechselbetrieb, also die Fixierung in der Werkzeugwechselbaugruppe 40, in welchem die Werkzeugwechselbaugruppe 40 entriegelt ist, um die Extrusionsbaugruppe 38 aus einem Halter oder Magazin zu entnehmen und in diese zu fixieren und mit der Antriebseinheit 42 zu verbinden. Ein vierter Betriebsmodus ist ein Justierbetrieb, also die Feinjustierung der Düsen 12, 14, 16 in axialer Richtung A um Toleranzen bei der Herstellung und beim Fügen der Düsen 12, 14, 16 in die Halterungen 6, 8, 10 auszugleichen. Die Halterungen 6, 8, 10 werden dazu axial derart verschoben oder positioniert, dass alle Mündungen 26 in einer Ebene liegen. Die Kontrolle der Position kann im vierten Betriebsmodus beispielsweise optisch erfolgen. Von dort aus können sie gemäß den Anforderungen für den Extrusionsbetrieb verschoben werden. Wie bereits angedeutet, sind zumindest zwei und vorliegend sogar alle Halterungen 6, 8, 10 sind mittels je eines Lagers aneinander gelagert, das aus einer präzise bearbeiteten Lagerbohrung und die dadurch gebildete Innenwand 30 im Inneren der äußeren Halterungen 8, 10 und je zwei schmalen, umlaufenden Lagerbereichen 18, 20, 22, 24 (Lagerinnenfläche) auf der Außenwand 31 der inneren Halterungen 6, 8 gebildet ist. Lagerbereiche 18, 20, 22, 24 ermöglichen eine statisch bestimmte und ausreichend steife Führung in der Lagerbohrung der jeweils äußeren Halterung 8, 10, wobei durch die geringen Berührungsflächen die Reibung minimiert wird. Diese Lagerbereiche 18, 20, 22, 24, sind in axialer Richtung A hintereinander angeordnet, genauer gesagt weist jedes der beiden Lager einen vorderen Lagerbereich 18, 20 und einen hinteren Lagerbereich 22, 24 auf und je ein vorderer Lagerbereich 18, 20 und ein hinterer Lagerbereich 22, 24 sind hintereinander angeordnet. Die Lagerbereiche 18, 20, 22, 24 sind hier ein Teil der inneren Halterungen 6, 8 und fungieren mit den Innenwänden 30 der äußeren Halterungen 8, 10 als Gleitlager.

Die Lager sind derart ausgebildet, dass eine Beschädigung der regelmäßig sehr fragilen Düsen 12, 14, 16 beim Ineinandersetzen möglichst verhindert wird. Hierzu ist das jeweilige Lager derart ausgebildet und angeordnet, dass beim Ineinandersetzen der beiden Halterungen 6, 8, 10 mindestens dessen vorderer Lagerbereich 18, 20 greift, bevor die jeweils innere Düse 12, 14 in den Schaftbereich der jeweils äußeren Düse 14, 16 einfährt. Spätestens beim Einfahren der inneren Düse 12, 14 in den gezogenen konischen Bereich der äußeren Düse 14, 16 greifen sowohl der vordere Lagerbereich 18, 20 als auch der hintere Lagerbereich 22, 24, um ausreichende Führung und Steifigkeit der Lagerung herzustellen und eine Berührung der Düsen 12, 14, 16 zu vermeiden.

Bei besonders engen Spaltmaßen zwischen den Düsen 12, 14, 16, insbesondere auch in deren Schaftbereich, kann es erforderlich sein, dass bereits beide Lagerbereiche 18, 20, 22, 24 eines jeweiligen Lagers greifen bevor die Mündung 26 der jeweils inneren Düse 12, 14 in den Schaftbereich der äußeren Düse 14, 16 einfährt. Diese Auslegung ist in Fig. 4a, b mit den abgebildeten Geometrien von Hal- terungen 6, 8, 10 und Düsen 12, 14, 16 dargestellt. In diesem Fall weist die mittlere Halterung 8 gegenüber der innersten Halterung 6 einen maximalen Verschiebeweg 68 für den Montagebetrieb auf, welcher wenigstens einer Länge 78 der äußeren Düse 14 entsprechen muss. Der Abstand der beiden Lagerbereiche 18, 22 zueinander in axialer Richtung A ist aufgrund der Stabilität und Steifigkeit der Lagerung möglichst groß gewählt und definiert in Verbindung mit einem Überstand 72 der mittleren Halterung 8 über den hinteren Lagerbereich 22 hinweg den maximalen Verschiebeweg im Montagebetrieb 68 der mittleren Halterung 8 in axialer Richtung A, relativ zur innersten Halterung 6. Gleiches gilt analog für die Halterungen 8, 10 und die Düse 16 in Verbindung mit den Lagerbereichen 20, 24.

Der vordere Lagerbereich 18, 20 ist soweit wie möglich frontseitig F angeordnet. Zur einfacheren Montage und der Vermeidung eines Verkantens ist der vordere Lagerbereich 18, 20 jeweils durch eine schmale umlaufende Nut zweigeteilt.

Im Extrusions-, Justier- und Werkzeugwechselbetrieb werden die Halterungen 6, 8, 10 relativ zueinander lediglich soweit verschoben, dass zu jedem Zeitpunkt sowohl der vordere als auch das hintere Lagerbereich 18, 20, 22, 24 greifen, sodass maximale Stabilität gewährleistet ist. Im Montagebetrieb dagegen stabilisiert zuerst der vordere Lagerbereich 18, 20 so früh wie möglich die Halterungen 6, 8, 10 beim Ineinandersetzen, der hintere Lagerbereich 22, 24 greift dann erst später beim weiteren Ineinandersetzen.

In der hier gezeigten Ausgestaltung fungiert der vordere Lagerbereich 18 auch als Dichtung zum davorliegenden Kopfraum 58. Neben geeigneter Materialwahl, engen Toleranzen und hohen Oberflächengüten in diesem Bereich zu Gewährleistung der Dichtwirkung wird auch die Fluidführung zur Verbesserung der Dichtwirkung eingesetzt. Derer vordere Lagerbereich 18 der innersten Halterung 6 ist durch eine um laufende Nut zweigeteilt mit den genannten Vorteilen bei der Montage. Zusätzlich wird die Nut für die Weiterleitung des dritten Mediums (hier der Härter) genutzt. Dazu wird das dritte Medium über eine radiale Querbohrung aus dem Kanal 54 in die Nut geleitet. Die mittlere Halterung 8 verfügt auf der Innen- wand 30, d.h. auf der Innenseite der Lagerbohrung, welche die Lagerung zur innersten Halterung 6 bildet, nahe dem Grund dieser Lagerbohrung über eine umlaufende Nut in der Außenwand 31. Die Nut wird auch als Ringkanal 60 bezeichnet. Über diesen wird das dritte Medium in zwei exzentrische und achsparallele Bohrungen 62 und von diesen in den Kopfraum zur Halterung 10 geleitet. Dort gelangt es schließlich in die äußerste Düse 16. Mit dieser Konfiguration der Fluidführung kann gewährleistet werden, dass das zweite Medium (hier das Wandungsmaterial), falls es durch den Dichtspalt 74 des Lagerbereichs 18 in den Ringkanal 60 eindringt, mit dem dritten Medium (Härter) im Ringkanal 60 zusammentrifft. Dies führt zum Abdichten des Dichtspalts 74 durch Quervernetzung des zweiten Mediums (Biomaterial) durch das dritte Medium (Härter), und erfüllt damit die Funktion einer Reaktivdichtung. Dies ist besonders beim zweiten Mediums (hier das Biomaterial) von Belang, aufgrund von dessen höherer Viskosität verglichen mit Stützmedium und Härter und den daraus resultierenden, höheren Drücken im Kopfraum 58.

Diese Fluidführung limitiert jedoch den maximalen Verschiebeweg für den Extrusionsbetrieb auf einige hundert Mikrometer bis wenige Millimeter. Genauer ist der Verschiebeweg auf denjenigen Bereich limitiert, in dem noch ausreichende berührende Dichtfläche des vorderen Lagerbereichs 18 (unterbrochen von der umlaufenden Nut in axialer Richtung vor und hinter dem Ringkanal) in der mittleren Halterung 8 gegeben ist. Dies ist abhängig von der Breite des gesamten vorderen Lagerbereichs 18 in axialer Richtung A, der Breite um laufenden Nut, des Ringkanals 60 und den Materialeigenschaften und Toleranzen der dichtenden Bereiche der inneren Halterungen 6, 8.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Kanal 50 für das erste Medium eine Engstelle 76 auf, mit einem Durchmesser, weicher einem Innendurchmesser 78 der innersten Düse 12 entspricht, welche an den Kanal 50 angeschlossen ist. Die Engstelle 76 ist hier im Querschnitt entlang der Zentralachse Z betrachtet einfach ein konstanter, reduzierter Innendurchmesser, sodass im Kanal 50 als Übergang zur Engstelle 76 eine einfache Stufe ausgebildet ist. In einer nicht gezeigten Variante ist hingegen durch einen nach vorn hin kontinuierlich verjüngten Innendurchmesser des Kanals 50 eine Engstelle 76 ausgebildet.

Die innerste Halterung 6 weist weiterhin ein Formmerkmal für einen automatisierten Werkzeugwechsel auf, hier beispielhaft eine um laufende Nut 80, um eine formschlüssige, leicht lösbare Unterbringung in einem Magazin zu ermöglichen.

Die Werkzeugwechselbaugruppe 40 dient als Haltervorrichtung für die Extrusionsbaugruppe 38 im Betrieb und verspannt die Halterungen 6, 8, 10 derart, dass diese nach Bedarf in axialer Richtung A relativ zueinander verschiebbar sind und ansonsten möglichst optimal fixiert und zentriert sind. Hierfür weist die Werkzeugwechselbaugruppe 40 für jede Halterung 6, 8, 10 eine Klemmvorrichtung 82, 84, 86 auf. Eine jeweilige Klemmvorrichtung 82, 84, 86 weist einen Zugarm 88 und einen Druckarm 90 auf, welche eine jeweilige Halterung 6, 8, 10 umfangsseitig umgreifen und jeweils rohrförmig ausgebildet sind. Bei den äußeren Halterungen 8, 10 ist der Druckarm 90 in den Zugarm 88 eingesetzt, bei der innersten Halterung 6 ist dagegen umgekehrt der Zugarm 88 in den Druckarm 90 eingesetzt. Eine jeweilige äußere Halterung 8, 10 weist dann eine geeignete Umfangskontur auf, welche zwischen dem Zugarm 88 und dem Druckarm 90 eingespannt ist. Bei der innersten Halterung 6 ist dies jedoch umgekehrt, dort zieht der Zugarm 88 die Halterung 6 in den Druckarm 90 hinein. Hierfür ist hinter der Umgangskontur der innersten Halterung 6 an dieser noch eine Nut 92 ausgebildet, um ein Eingreifen des Zugarms 88 zu ermöglichen. Der Zugarm 88 und der Druckarm 90 einer jeweiligen Klemmvorrichtung 82, 84, 86 sind mittels eines Lagers 94 gegeneinander gelagert und in axialer Richtung A relativ zueinander verschiebbar, zum Einspannen der jeweiligen Halterung 6, 8, 10. Eine Verschiebung des Druckarms 90 relativ zum Zugarm 88 zum Einspannen oder Freigeben der jeweiligen Halterung 6, 8, 10 erfolgt beispielsweise mittels Druckluft. Das Verspannen erfolgt mit der Klemmvorrichtung 82, 84, 86 hier frontseitig F, wohingegen deren Lager 94 zwischen der Mitte und der Rückseite B angeordnet ist. In der hier gezeigten Ausgestaltung ist die Umfangskontur zum Verspannen durch einen Konus 96 einer jeweiligen Halterung 6, 8, 10 gebildet und die Klemmvorrichtung 82, 84, 86 weist einen entsprechenden Innenkonus 98 auf. Dabei ist der Innenkonus 98 bei den äußeren Halterungen 8, 10 am jeweiligen Zugarm 88 ausgebildet und bei der innersten Halterung 6 am Druckarm 90. Weiter weist ein jeweiliger Konus 96 der äußeren Halterungen 8, 10 eine Planfläche 100 auf, welche sich in radialer Richtung R erstreckt, ringförmig ausgebildet ist und als Anschlag für den Druckarm 90 dient. Ein Winkel 102 des Konus 96 und des Innenkonus 98 relativ zur Zentralachse Z ist derart gewählt, dass dieser einerseits nicht selbsthemmend wirkt, dass jedoch andererseits auch eine gute Zentrierung ermöglicht wird.

Der Konus 96 der innersten Halterung 6 ist in axialer Richtung A rückseitig B bezüglich der oben genannten Nut 80 für den Werkzeugwechsel ausgebildet. Die Konusse 96 der äußeren Halterungen 8, 10 sind entgegengesetzt zum Konus 96 der innersten Halterung 6 geneigt, sodass durch einen jeweiligen Innendruck in den Kopfräumen 58, 64 die innerste Halterung 6 und die äußeren Halterungen 8, 10 in entgegengesetzte Richtung gedrückt werden und dadurch über die Konusse 96 in der Werkzeugwechselbaugruppe 40 verspannt werden.

Darüber hinaus beinhaltet die Werkzeugwechselbaugruppe 40 in der hier gezeigten Ausgestaltung drei integrierte, doppeltwirkende Pneumatikzylinder für die Vorspannung der Halterungen 6, 8, 10. Diese weisen jeweils einen druckseitigen Zylinderraum 116 und einen zugseitigen Zylinderraum 118 auf. Der dazwischenliegende Pneumatikkolben 120 mit dynamischer Dichtung ist bei der innersten Halterung 6 mit dem zugehörigen Zugarm 88 verbunden, bei den äußeren Halterungen 8, 10 mit dem jeweiligen Druckarm 90. Durch Beaufschlagung der beiden Zylinderräume 116, 118 mit Druckluft, gesteuert z.B. über ein 5/2-Wege-Pneumatikventil, wird eine exakt axial wirkende Kraft erzeugt und die Halterungen 6, 8, 10 damit vorgespannt.

Im Werkzeugwechselbetrieb werden zunächst ausgehend vom verriegelten Zustand wie in Fig. 5a gezeigt, die äußeren Klemmvorrichtungen 82, 84 entriegelt, in- dem die zugehörigen Druckarme 90 und Zugarme 88 auseinandergefahren werden, wodurch die äußeren Halterungen 8, 10 freigegeben werden, wie in Fig. 5b gezeigt ist. Die Extrusionsbaugruppe 38 ist dann lediglich noch durch die innerste Klemmvorrichtung 82 fixiert. Nun fährt die Extrusionsvorrichtung 2 durch die Maschinenkinematik des Bioprinters an ein Werkzeugmagazin heran und schiebt die Extrusionsbaugruppe 38 an der bereits beschriebenen Nut 80 in die Halteklammer des Werkzeugmagazins. Daraufhin wird auch die letzte, innerste Klemmvorrichtung 82 entriegelt, wie in Fig. 5c gezeigt, sodass die Extrusionsbaugruppe 38 vollständig freigegeben ist und nun nur von der Halteklammer des Werkzeugmagazins gehalten wird. Die Werkzeugwechselbaugruppe 40 fährt dann in radialer Richtung R vom Werkzeugmagazin weg und gibt damit die Extrusionsbaugruppe 38 frei. Zum Verriegeln einer Extrusionsbaugruppe 38 in der Werkzeugwechselbaugruppe 40 wird entsprechend umgekehrt vorgegangen.

Wie in den Fig. 1 , 2 und 3 erkennbar ist, weisen die Klemmvorrichtungen 82, 84, 86 der Werkzeugwechselbaugruppe 40 im Bereich der Extrusionsbaugruppe 38 jeweils eine seitliche Aussparung 104 auf, um einen seitlichen Eintritt der Extrusionsbaugruppe 38 und der Medienanbindungen 56 in die Werkzeugwechselbaugruppe 40 zu ermöglichen und damit auch einen Werkzeugwechsel zu ermöglichen.

Die Zugarme 88 sind vorliegend freischwingend und werden durch die Antriebseinheit 42 in axialer Richtung A fixiert und auch positioniert. Auf diese Weise wird auch die relative Verschiebbarkeit der Halterungen 6, 8, 10 realisiert. Die Antriebseinheit 42 ist mit den Zugarmen 88 zumindest der äußeren Klemmvorrichtungen 84, 86 verbunden. Speziell in der hier gezeigten Ausgestaltung mit drei Halterungen 6, 8, 10 und drei Düsen 12, 14, 16 für ein Stützmedium innen, ein Wandungsmaterial mittig und einen Härter außen wird im Betrieb regelmäßig eine relative Verschiebung der innersten Halterung 6 zu den äußeren Halterungen 8, 10 ausgeführt, wohingegen eine relative Verschiebung der äußersten Halterung 10 zur mittleren Halterung 8 im Vergleich hierzu seltener erforderlich ist. Daher wird die Antriebseinheit 42 im hier gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Linearachse mit einem Kugelgewindetrieb geringer Steigung mit einer Gewindespindel 106 sowie mit einer festen Mutter 108 und einer angetriebenen Mutter 110 ausgeführt. Eine rotatorische Fixierung und lineare Führung der Muttem 108, 110 erfolgt mittels einer Profilschienenführung 112. Ein Antrieb erfolgt beispielsweise über Schrittmotoren 114 und Riementriebe (wobei die zugehörigen Riemen hier nicht dargestellt sind). Die feste Mutter 108 ist über eine geeignete Verbindung mit der mittleren Halterung 8 verbunden, wohingegen die angetriebene Mutter 110 über eine geeignete Verbindung mit der äußeren Halterung 10 verbunden ist. Um nun die innerste Halterung 6 relativ zu den übrigen Halterungen 8, 10 zu verschieben, wird lediglich die Gewindespindel 106 angetrieben. Dabei bleiben die relativen Positionen der übrigen Halterungen 8, 10 zueinander erhalten. Um dagegen lediglich die äußerste Halterung 10 relativ zu den übrigen Halterungen 6, 8 zu verschieben, wird die angetriebene Mutter 110 bewegt, wobei wieder die relativen Positionen der übrigen Halterungen 6, 8 zueinander erhalten bleiben.

Die gesamte Extrusionsvorrichtung 2 ist derart konstruiert, dass durch Hinzufügen weiterer, entsprechender Halterungen zur Extrusionsbaugruppe 38 weitere Düsen hinzugefügt, koaxial positioniert, verschoben und betrieben werden können. Entsprechend werden auch weitere Klemmvorrichtungen zur Werkzeugwechselbaugruppe 40 hinzugefügt und die Antriebseinheit 42 weitergebildet, z.B. mit zusätzlichen angetriebenen Muttern, Motoren und Linearwagen. Durch eine solche Erweiterung wird dann beispielsweise die Herstellung von mehrschichtigen Mikrostrukturen für die Nachbildung von komplexeren Blutgefäßen ermöglicht.

Bezugszeichenliste

2 Extrusionsvorrichtung

4 Hohlstruktur

6 erste/innerste/innere Halterung

8 zweite/innere/äußere/mittlere Halterung

10 dritte/äußerste/äußere Halterung

12 erste/innerste/innere Düse

14 zweite/innere/äußere/mittlere Düse

16 dritte/äußerste/äußere Düse

18 vorderer Lagerbereich

20 vorderer Lagerbereich

22 hinterer Lagerbereich

24 hinterer Lagerbereich

26 Mündung

28 Abstand (zwischen zwei Mündungen)

30 Innenwand (einer Halterung), Lageraußenfläche (eines Lagers)

31 Außenwand (einer Halterung), Lagerinnenfläche (eines Lagers)

32 Lumen

34 Wandung

36 Zelle

38 Extrusionsbaugruppe

40 Werkzeugwechselbaugruppe

42 Antriebseinheit

44 Abzweigung

48 Aufnahme (einer Halterung), Passung

50 Kanal (für ein erstes Medium)

52 Kanal (für ein zweites Medium)

54 Kanal (für ein drittes Medium)

56 Medienanbindung

58 Kopfraum (zwischen innerster und mittlerer Halterung)

60 Ringkanal

62 Kanal (achsparallele Bohrungen von Ringkammer in den Kopfraum) 64 Kopfraum (zwischen mittlerer und äußerster Halterung)

68 Verschiebeweg

72 Überstand

74 Dichtspalt

76 Engstelle

78 Länge (einer Düse)

80 Nut (für Werkzeugwechsel)

82 erste/innerste/innere Klemmvorrichtung

84 zweite/innere/äußere/mittlere Klemmvorrichtung

86 dritte/äußerste/äußere Klemmvorrichtung

88 Zugarm

90 Druckarm

92 Nut (für Zugarm)

94 Lager (Zugarm gegen Druckarm)

96 Konus

98 Innenkonus

100 Planfläche

102 Winkel

104 Aussparung

106 Gewindespindel

108 feste Mutter

110 angetriebene Mutter

112 Profilschienenführung

114 Schrittmotor

116 druckseitiger Zylinderraum

118 zugseitiger Zylinderraum

120 Pneumatikkolben

A axiale Richtung

B rückseitig

F frontseitig

R radiale Richtung

S Spaltmaß Z Zentralachse

Claims

Ansprüche Extrusionsvorrichtung (2), zur Herstellung einer Hohlstruktur (4) durch koaxiale Extrusion mehrerer Medien,

- wobei diese mehrere Halterungen (6, 8, 10) aufweist, jeweils für eine Düse (12, 14, 16) zur Extrusion eines der Medien,

- wobei die Halterungen (6, 8, 10) sich in einer axialen Richtung (A) entlang einer Zentralachse (Z) erstrecken und koaxial angeordnet sind, zur koaxialen Anordnung der Düsen (12, 14, 16) ineinander,

- wobei wenigstens zwei der Halterungen (6, 8, 10) in einer radialen Richtung (R) aufeinander folgen und in radialer Richtung (R) mittels eines Lagers aneinander gelagert sind, sodass die wenigstens zwei Halterungen (6, 8, 10) in axialer Richtung (A) relativ zueinander verschiebbar sind, zur Einstellung der relativen axialen Positionen der jeweiligen Düsen (12, 14, 16). Extrusionsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 , wobei die mehreren Halterungen (6, 8, 10) wenigstens drei Halterungen (6, 8, 10) sind, wobei die Halterungen (6, 8, 10) relativ zueinander in axialer Richtung (A) verschiebbar sind, zur Einstellung der axialen Positionen der Düsen (12, 14, 16) relativ zueinander. Extrusionsvorrichtung (2) nach Anspruch 2, wobei ein erstes der Medien ein Stützmedium ist, zum Ausfüllen eines Lumens (32) der Hohlstruktur (4), wobei ein zweites der Medien ein Wandungsmaterial ist, zur Ausbildung einer Wandung (34) der Hohlstruktur (4), wobei ein drittes der Medien ein Härter ist, zum Aushärten des zweiten Mediums beim Zusammenführen mit diesem. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine der Halterungen (6, 8, 10) eine innere Halterung (6, 8) ist und wobei eine andere der Halterungen (6, 8, 10) eine äußere Halterung (8, 10) ist, wobei die innere Halterung (6, 8) in axialer Richtung (A) derart weit relativ zur äußeren Halterung (8, 10) verschiebbar ist, dass die Düse (12, 14) der inneren Halterung (6, 8) gegenüber der Düse (14, 16) der äußeren Halterung (8, 10) hervorsteht, zum Anstechen einer bestehenden Hohlstruktur (4) zwecks Ausbildung einer Abzweigung (44) durch Anformung einer Hohlstruktur (4) an die bestehende Hohlstruktur (4). Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lager zur Stabilisierung und Führung der Halterungen (6, 8, 10) und zu deren koaxialer Ausrichtung beim Ineinandersetzen während einer Montage dient, wobei das Lager zumindest einen Lagerbereich (18, 20, 22, 24) aufweist, welcher derart ausgebildet und angeordnet ist, dass beim Ineinandersetzen der Halterungen (6, 8, 10) der Lagerbereich (18, 20, 22, 24) stets eine Führung derart gewährleistet, dass in radialer Richtung (R) ein Spiel einer inneren der Düsen (10, 12) in keinem Bereich ein vorgegebenes Spaltmaß (S) zu einer äußeren der Düsen (14, 16) überschreitet, um eine Beschädigung der Düsen (12, 14, 16) beim Ineinandersetzen zu vermeiden. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lager zwei Lagerbereiche (18, 20, 22, 24) aufweist, nämlich einen vorderen Lagerbereich (18, 20) und einen hinteren Lagerbereich (22, 24), wobei der vordere Lagerbereiche (18, 20) und der hintere Lagerbereich (22, 24) in axialer Richtung (A) derart hintereinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, dass zu jedem Zeitpunkt während der Extrusion beide Lagerbereiche (18, 20, 22, 24) tragen, insbesondere um eine ausreichende Führung und Steifigkeit der Lagerung zu gewährleisten und damit eine koaxiale Ausrichtung der Düsen (12, 14, 16) zu jedem Zeitpunkt zu garantieren. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Lager zumindest einen Lagerbereich (18, 20) aufweist, welcher durch einen Ringkanal (60) für eines der Medien zweigeteilt ist, sodass ein anderes der Medien, welches durch einen Dichtspalt (74) des Lagers in den Ringkanal (60) eindringt mit dem Medium im Ringkanal (60) zusammengeführt wird, zum Abdichten des Dichtspalts (74). Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Halterungen (6, 8, 10) um die Zentralachse (Z) herum relativ zueinander drehbar sind, zum Ausgleich von Rundlauftoleranzen der Düsen (12, 14, 16). Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede Halterung (6, 8, 10) eine Aufnahme (48) für eine der Düsen (12, 14, 16) aufweist, wobei eine jeweilige Aufnahme (48) als ein Querpresssitz ausgeführt ist. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Düsen (12, 14, 16) derart ausgebildet sind, dass die Hohlstruktur (4) mit einem Innendurchmesser von maximal 1 mm hergestellt wird, bevorzugt im Bereich von 10 pm bis 200 pm. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei diese eine Antriebseinheit (42) aufweist, mittels welcher die Halterungen (6, 8, 10) automatisiert relativ zueinander verschiebbar sind. Extrusionsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei diese eine Werkzeugwechselbaugruppe (40) aufweist, welche für jede Halterung (6, 8, 10) eine Klemmvorrichtung (82, 84, 86) aufweist, zum Halten und Fixieren der jeweiligen Halterung (6, 8, 10), wobei eine jeweilige Klemmvorrichtung (82, 84, 86) einen Zugarm (88) und einen Druckarm (90) aufweist, welche eine jeweilige Halterung (6, 8, 10) umfangsseitig umgreifen. 13. Verfahren zur Herstellung einer Hohlstruktur (4) mittels einer Extrusionsvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die wenigstens zwei Halterungen (6, 8, 10) in axialer Richtung (A) relativ zueinander verschoben werden, zur Einstellung der relativen axialen Positionen der jeweiligen Düsen (12, 14, 16).

14. Verwendung einer Extrusionsvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Biofabrikation, insbesondere zur Herstellung eines hierarchischen, vaskulären Systems.