[发明专利]基于流体-流体界面的增材制造

说明书

本文描述了增材制造用嵌入式打印的系统和方法。将打印材料打印至支撑材料中。所述打印材料和所述支撑材料各自具有流体相和固体相。所述打印材料基于与所述支撑材料的流体‑流体相互作用而从流体相转变为固体相。可以调节所述支撑材料的一个以上的参数以使得在所述流体‑流体相互作用期间的所述打印材料进入所述支撑材料中的扩散率小于阀值。可以同时将多种打印材料打印至所述支撑材料中。

优先权声明

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求2017年4月6日提交的美国专利申请序列号62/601,995和2017年9月28日提交的申请序列号62/606,581的优先权，其全部内容作为参考而引入。

政府支持条款

本发明在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)No.HL117750的政府支持下完成。政府对本发明享有特定的权利。

技术领域

本申请涉及增材制造(additive manufacturing)，特别是嵌入式打印。

背景技术

增材制造可以用于创建三维物体或结构体。可以将材料打印到支撑支架中，所述支撑支架在组装期间临时支撑结构体。当组装完成时，除去支撑支架。

发明内容

本申请描述了用于增材制造的支撑材料和打印材料。称为悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels)(FRESH)的用于流体的增材制造的方法包括将流体材料(例如，藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白等)嵌入至包括固体相和流体相的易变的(fugitive)支撑材料(例如，包括浆料)中。

支撑材料包括固体相和流体相。在一些实施方案中，固体相包含向支撑材料赋予宾汉塑性行为的明胶颗粒，其允许胶凝流体的沉积和支撑。流体相使明胶颗粒悬浮，并且其体积和组成先前已经示出影响支撑材料的流变性能。流体相的组成可以用于控制所嵌入的流体墨的胶凝行为。之前，已经将藻酸盐打印至具有含有钙阳离子的流体相的支撑材料中以促进藻酸盐凝胶化。扩展超出藻酸盐的初始用途，可以对流体相进行物理和化学改性以调节其它流体墨的凝胶化，最显著的是胶原蛋白的凝胶化。打印材料的流体相与支撑材料的流体相相互作用，形成流体-流体界面。用于调节墨的胶凝行为的在支撑材料和所嵌入的水凝胶墨之间的流体-流体界面允许FRESH的用途扩展至如纤维蛋白、胶原蛋白和基质胶等有机聚合物以及包括环氧树脂、橡胶和粘剂的合成聚合物二者。

下文描述的体系包括：支撑材料，所述支撑材料构成为响应于经受应力而从第一固体相转变至第一流体相；和嵌入在所述支撑材料中的打印材料，所述打印材料构成为通过所述支撑材料的第一流体相和所述打印材料的第二流体相之间的流体-流体相互作用在所述支撑材料中从第二流体相转变为第二固体相。

在一些实施方案中，所述支撑材料为碱性并且所述打印材料为酸性，并且其中所述支撑材料的转变包括在所述打印材料和所述支撑材料的流体-流体相互作用期间的所述打印材料的中和。在一些实施方案中，所述打印材料包含胶原蛋白、明胶和藻酸盐中的至少一种。在一些实施方案中，所述打印材料包含含有在约60～80微米之间的直径的线料(strand)。在一些实施方案中，所述打印材料为第一打印材料，并且其中所述体系包括第二打印材料，所述第二打印材料形成包围(encases)所述第一打印材料的网络(mesh)，所述网络构成为当将所述支撑材料从所述第一打印材料中除去时支撑所述第一打印材料的几何结构。在一些实施方案中，所述第一打印材料包含胶原蛋白，其中所述第二打印材料包含藻酸盐，并且其中所述支撑材料包含钙。在一些实施方案中，将所述打印材料构成为允许细胞渗透至通过从所述打印材料中除去所述凝胶颗粒而形成的空隙中。所述支撑材料包含凝聚体浆料(coacervate slurry)。

在一些实施方案中，所述支撑材料包含凝胶颗粒，所述凝胶颗粒通过调节所述支撑材料的盐浓度而形成，其中将所述凝胶颗粒与所述打印材料混合。