CN111132840B - 包括双臂机构的无菌打印机*** - Google Patents

包括双臂机构的无菌打印机*** Download PDF

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Abstract

提供用生物材料制造3D结构的***和方法。该***包括具有双臂组件的打印机组件，双臂组件包括上臂和由肘关节连接到上臂的下臂。一次性屏障围绕打印表面，与外部环境以及打印机组件的部件分开。上臂和下臂***屏障的进口，从而与打印表面隔离。下臂设置有挤压***，并且挤压***包括致动器驱动注射筒，配置为在打印表面上沉积生物材料。生物材料沉积在打印表面上以在无菌环境中执行3D制造。

Description

包括双臂机构的无菌打印机***
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年5月25日提交的美国临时专利申请系列No.62/511,292的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本技术总体上涉及用于打印生物材料的打印***以及通过这样的***的打印方法。特别是，本技术涉及用于打印例如含有胶原蛋白的3D打印生物凝胶的生物材料以制造生物材料的3D结构的***和方法。
背景技术
很多3D打印技术应用涉及打印例如在组织工程中不使用的各种无机或有机物质。在组织工程的实施中，重要的是以无菌的方式进行结构制造。现有的3D制造***，例如，添加剂制造***，有无法有效无菌清洁的外露部位。此外，现有的打印***的形态不仅阻碍高效的无菌清洗，而且由于打印结构上的机械组件需要冗长的设置时间并具有复杂的运动而限制打印机性能。
本技术针对于克服这些以及其它缺陷。
发明内容
在至少一个实施例中，打印机***包括：臂组件，连接到打印机壳体；打印表面，连接到臂组件的沉积尖端配置为在打印表面上沉积材料；以及屏障，围绕打印表面，屏障构造为隔离打印表面与臂组件。而且，在至少一个实施例中，可靠地实现保证无菌的水平。另外，打印机***包括可容易清洗的一个或多个部件，进一步降低交叉污染的风险。
在另一个实施例中，使用包括打印机组件的打印***来制造一个或多个结构的方法包括：将一次性屏障连接到打印机组件；准备在打印表面上要沉积的生物材料；将生物材料提供到与打印机组件联接(coupled)的沉积尖端；以及由沉积尖端将生物材料沉积在打印表面上，其中打印表面包封在一次性屏障内。
在再一个实施例中，打印机***包括：臂组件，包括第一臂、第二臂和挤压***，第一臂配置为由第一电动机驱动，第二臂配置为由第二电动机驱动，挤压***包括沉积尖端，沉积尖端配置为在打印表面上沉积材料；导螺杆，第一电动机或第二电动机的至少一个配置为通过联接器(coupler)将导螺杆旋转；以及导螺母，配置为沿着导螺杆行进，从而旋转与第一臂连通的联动装置，其中至少包裹第一电动机、第二电动机、导螺杆和导螺母，以与外部环境隔离。
在至少一个进一步实施例中，组装无菌打印机的方法包括：将容器连接到阀门，阀门配置为控制材料进入容器；将沉积尖端连接到容器；将装配有阀门和沉积尖端的容器固定在固定器中；以及将固定器和打印平台设置在一次性屏障中。
附图说明
在下面的附图和描述中阐述了一个或多个实施例的细节。本公开的其它特征、方面和优点通过说明书、附图和权利要求将变得明显易懂。附图中，相同的附图标记在各种图中用于相同的部件。
图1A是根据一实施例的***的透视图。
图1B是根据一实施例的***的俯视图。
图1C是根据一实施例的***的正视图。
图1D是根据一实施例的***的侧视图。
图1E是根据一实施例的***的侧视图。
图1F是图1E所示***的透视图。
图2A是根据一实施例的***包括电动机组件和工作台的部分的侧视透视图。
图2B是根据一实施例的***包括电动机组件和工作台的部分的正面透视图。
图2C是根据一实施例的***包括电动机组件和工作台的部分的截面图。
图2D是根据一实施例的包括电动机组件和工作台的***的截面图。
图3A是根据一实施例的***的一部分的俯视图。
图3B是根据一实施例的***的顶部截面图。
图3C是根据一实施例的包括挤压***的***的截面图。
图4A是根据一实施例的***的一部分的分解图。
图4B是根据另一实施例的***的一部分的分解图。
图4C是根据一实施例的包括多个活动臂的***的一部分的侧视图。
图5A是根据一实施例的电动机和臂组件的第一透视图。
图5B是根据一实施例的电动机和臂组件的第二透视图。
图5C是根据一实施例的包括电动机驱动组件的***的一部分的第一分解图。
图5D是根据一实施例的包括电动机驱动组件的***的一部分的第二分解图。
图5E是根据一实施例的下臂电动机驱动装置的截面图。
图5F是根据一实施例的包括电动机驱动组件的***的一部分的透视图。
图6A是根据一实施例的包括一次性屏障的***的一部分的透视图。
图6B是图6A所示的***的一部分的详图。
图6C是根据一实施例的包括一次性屏障的***的一部分的俯视图。
图6D是根据一实施例的包括一次性屏障的***的一部分的侧视图。
图7是描述根据一实施例的打印方法的流程图。
应理解，附图的某些或全部是用于说明目的的示意性表示。提供附图用于说明一个或多个实施例的目的，但应明确地理解它们不用于限制权利要求的范围或意义。
具体实施方式
在下文将描述各种实施例。应注意，具体的实施例并不是作为详尽的描述或对本文讨论的更广泛方面的限制。与特定实施例一起描述的一个方面不一定仅限于该实施例，还可以与任何其它实施例一起实施。
以下术语在整个过程中使用，定义如下。
如本文以及所附权利要求中所用，在描述元件的上下文中(尤其是在所附权利要求的上下文中)，诸如“一(a)”、“一(an)”和“所述”以及类似表述的单数形式应解释为覆盖单数和复数二者，除非本文另有表述或因上下文而明显矛盾。除非本文中另有说明，否则本文中的数值范围的陈述仅仅旨在用作单独对落入范围内的每个单独值进行判定(refereeing)的简写方法，并且每个单独的值被结合到说明书中，如同在此单独叙述的那样。这里所描述的所有方法都可以按任何适当的顺序执行，除非在此另有说明，或有明显的上下文矛盾。使用本文中提供的任何和所有示例或示范性语言(例如“诸如”)，只是为了更好地说明实施例，除非另有说明，否则不会对权利要求的范围造成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表示任何非声称的元件为必要的。
在这里说明性地描述的实施例可以适当地在没有任何元件(element orelements)、限制(limitation or limitations)的情况下实施，但在此未具体披露。因此，例如，术语“包括”、“包含”、“含有”等应广义理解而不是限制。另外，本文使用的术语和表达式被用作描述性的术语，而不是限定性的术语，使用这些术语和表达方式并不意味着排除与所示和描述的特征或其部分相当的任何内容，但应认识到，在权利要求的技术范围内可以进行各种修改。另外，短语“主要由什么组成”应理解为包括具体引用的那些元件及其不实质地影响声称的技术的基本和新颖性特征的附加元件。短语“由什么组成”排除没有指定的任何元件。词语“包括”是指“包括，但不限于”。因此，可存在其它没有提及的物质、添加剂、载体或步骤。除非另有规定，“一(a)”或“一(an)”是指一个或多个。
除非另有表述，在本说明书和权利要求书中使用的表达量的性质、参数、条件等的所有数字应理解为在所有情况下按术语“大约”进行修改。因此，除非另有说明，下面说明书和所附权利要求中所列的数值参数是近似的。任何数值参数至少应根据所报告的重要数字数和使用普通舍入技术来解释。在数字名称之前使用的术语“约”，例如温度、时间、数量和浓度包括范围，表示的近似值可能变化为(+)或(-)10％、5％或1％。
本领域的技术人员应理解，为了任何和所有目的，特别是根据提供的书面描述，本文公开的所有范围也包含任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围都可以被容易地识别为充分地描述和使相同的范围被分解为至少相等的一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为非限制性示例，本文讨论的每个范围可容易地分成下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本技术领域的技术人员所理解，诸如“直至”、“至少”、“大于”、“少于”等所有语言包括引用的数字和引用的范围，可如上面讨论的那样，分成子范围。最后，如本技术领域的技术人员所理解，范围包括每个分别的数值。
在某些实施例中，术语“凝胶”包括，但不限于非牛顿流体和宾汉塑性流体。
如本文所用，术语“粘性”是指由材料的剪切应力或拉伸应力引起的逐渐变形的阻力。
如本文所用，术语“剪切应力”或“剪切稀化”是指与流体类或非流体类行为和流动有关的材料的流变粘弹性性质。剪切应力和剪切稀化包括与宾汉流动、塑性流动、假塑性、膨胀性、触变性、流变性以及粘性材料的类似或其它应力和/或应变特性有关的特性。此外，“剪切稀化”指的是表观粘度(剪切应力与剪切速率之比)随着与时间相关(触变)或与屈服应力相关联的增加而降低(假塑性)，即流动开始前必须超过的应力(宾汉塑性流体和广义宾汉塑性流体)。一般而言请见，Harris,J.,&Wilkinson,W.L.,“Non-Newtonian Fluid,”pp.856-858in Parker,S.P.,ed.,McGraw-Hill Encyclopedia of Physics,SecondEdition,McGraw-Hill,New York,1993。本技术的适当粘度范围包括，但不限于10,000厘泊(cps)至约30,000cps作为静止固体，或3,000cps至约10,000cps作为
如本文所用，术语“胶原蛋白”是指***的主要蛋白质，它具有很高的拉伸强度，且在大多数多细胞生物中都有发现。
术语“生物材料”指来源于天然或合成的材料。
术语“生物墨水”是指由生物材料衍生的墨水。生物墨水可包括，但不限于水凝胶。水凝胶可包括但不限于藻酸盐、琼脂糖、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白、透明质酸、卡拉胶、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-共聚环氧丙烷、羟丙基甲基纤维素、聚(富马酸丙二醇酯-共-乙二醇)、聚(乙二醇)-共聚(乳酸)、聚(乙烯醇)、KDLl 2寡肽和聚(n-异丙基丙烯酰胺)。水凝胶优选具有通过调节环境变量来控制交联速率，包括但不限于温度、pH、离子强度、热、光或添加化学交联剂，如钙、镁、钡、软骨素、硫酸盐和凝血酶。
3D结构可由生物凝胶制造，生物凝胶由胶原蛋白基材料形成。2017年5月25日提交的标题为“3D PRINTABLE BIO GEL AND METHOD OF USE(3D可打印生物凝胶及其使用方法)”且具有代理档案No.113066-0104的PCT申请系列No.PCT/US2018/034582中描述了用于生物凝胶成分中使用的胶原蛋白的收获方法、生物凝胶成分、采用生物凝胶成分制造3D结构的方法、以及用于3D打印***的生物凝胶成分的制备方法，其全部内容通过引用结合于此，用于背景技术信息和这里阐述的方法。
在一个方面中，这里公开了采用生物材料打印的***，其中该***包括围绕打印表面的一次性屏障以及包括多个活动臂的组件，其中多个活动臂包括上臂，上臂联接到下臂，下臂配置有挤压***，其中挤压***包括注射筒，注射筒配置为沉积生物材料，生物材料包括但不限于胶原蛋白基生物材料。
在一个方面中，生物材料可为生物墨水，其包括胶原蛋白、中和剂和细胞介质。示范性中和剂包括但不限于例如包含弱酸的配方。在某些实施例中，细胞介质可包括活细胞，其包括但不限于表皮细胞、软骨细胞和形成软骨的其他细胞，巨噬细胞，脂肪细胞，真皮细胞，肌肉细胞，毛囊，成纤维细胞，器官细胞，成骨细胞和形成骨的其他细胞，内皮细胞，黏膜细胞，胸膜细胞，耳道细胞，鼓膜细胞，腹膜细胞，雪旺细胞，角膜上皮细胞，牙龈细胞，中枢神经***神经干细胞或气管上皮细胞。
在另一个方面中，这里公开了打印机组件，其包括“一次性使用”屏障和“一次性使用”打印床，打印床上沉积例如生物材料的材料。屏障和/或打印床是一次性的，并且在至少一个实施例中，在一次使用后丢弃以避免污染。打印机组件包括多个活动臂，其至少一个活动臂配置为***一次性屏障的空腔(进口)中，从而由一次性屏障保护。
本文描述的***和方法允许通过沉积材料用于结构的无菌制造。如上所述，典型的添加剂制造***具有暴露的部件，无法有效地进行无菌清洗。仅作为示例而不是限制，这样暴露的部件可包括皮带、皮带轮、轨道、轴承、导螺杆、电动机和配线组件。而且，例如，这样***的表面可能不符合美国食品和药品管理局颁布的无菌清洁能力或无菌加工的良好制造规范(GMP)指南。特别是，这样的***可具有不能密封的滑动部件。此外，在打印结构和打印机自身之间没有设置屏障。另外，传统的打印机包括许多需要冗长的机器设置时间的部件，一旦生物材料准备用于打印(例如，一旦胶原蛋白、中和剂和细胞介质被混合在一起)，则可能延迟打印操作。
相反，如下面所描述，本公开的示范性实施例达到符合GMP指南的无菌条件，并允许活动印刷组件在保护性屏障中被保护。在至少一个实施例中，打印机***可以放置在空气杀菌的清洁罩中，例如通过高效颗粒空气过滤器(HEPA)进行杀菌。在至少一个实施例中，清洁罩通过HEPA过滤器对空气进行杀菌，并将部分杀菌后的空气向下吹。无菌空气的气流是这样的，即向下吹出的空气的一部分可以保留在清洁罩中，而另一部分可以从清洁罩的前开口排出。至少一个实施例的打印***可以设置在清洁罩中而不破坏层流空气流，从而避免无菌环境的退化。在至少一个实施例中，生物安全柜(BSC)可用于替代清洁罩。
***综述
现在转到图1A，示出了根据一实施例的***的透视图。该***是打印机组件，包括壳体101和打印床或工作台111，生物材料可从打印尖端(沉积尖端)沉积在工作台111上，如下面更加详细讨论的。工作台111的高度可由尖端高度机构110测量，尖端高度机构110也可称为尖端高度***，用于确定工作台111相对于沉积尖端的定位。
图1B是根据一实施例的***的俯视图。如图1B所示，工作台111的上方是臂组件，其包括上臂220和下臂230。上臂220和下臂230通过至少一个部件连接，至少一个部件包括肘关节221，允许下臂230相对于上臂220的运动。肘关节221形成为在上臂220和下臂230之间摇摆，使它们在不同的高度且不共面。肘关节221允许臂220、230的折叠，以增加其运动范围。
在至少一个实施例中，肘关节221用作铰链，允许下臂230延伸以达到很多位置，包括在工作台111上面的多个位置。工作台111是打印床，配置为沿着z轴移动，而上臂220和下臂230配置为在x-y平面移动。在某些实施例中，打印床可以由例如加热器108加热。在至少一个实施例中，工作台111形成为圆形或卵圆形盘。在至少一个实施例中，工作台111至少包括三角形部分和半圆部分。
图1D是根据一实施例的***的侧视图。图1D示出了包括如图1B所示的那些部件。特别是，工作台111、下臂230和上臂220可分层排列设置或交错排列设置。也就是说，工作台111可设置为在水平方向上靠近壳体101的第一端，并且在竖直方向上靠近壳体101的底部。下臂230可设置在中间位置，在工作台111的上方，并且定位成使下臂230的至少一端在水平方向比工作台111更靠近壳体101的第二端。上臂220设置的位置可在工作台111和下臂230的上方，并且在水平方向上更靠近壳体101的第二端而不是壳体101的第一端。此外，在水平方向上，在上臂220和壳体101的第二端之间，可设置调节上臂220的运动的肩关节210。另外，在工作台111和下臂230之间，可设置另外的部件，例如包括柱塞240的挤出***。柱塞240设置有注射筒245，下面将更加详细讨论。
图1C是根据一实施例的***的正视图。在图1C所示的实施例中，***部件，包括上面叙及的那些，例如上臂220、下臂230、肘关节221、尖端高度***110和工作台111由屏障285保护以包封在其中且与外部环境隔离。在某些实施例中，屏障285的下边界可延伸为围绕壳体101的一部分，或者可延伸为完全围绕打印机组件，打印机组件包括壳体101。在某些实施例中，屏障285的下边界可与壳体101的一部分的上表面一致。
在屏障285内，并且因此被保护不受外部环境影响的是可直接或间接接触生物材料的部件，以及部件相邻于或者直接或间接地与这样的部件连接的部件。例如，在屏障285内，可以设置如下面更加详细讨论的挤出***。
尽管图1D以及图1A和1B所示的***没有描绘如图1C所示的屏障285，但是应理解，在某些实施例中可设置屏障285，例如通过设置屏障285在壳体101的最上表面的上方，从而将打印机组件包封在其中。屏障285可为一次性屏障，在打印机使用后被更换。例如，屏障285可在生产给定数量的3D制造结构后，在预定量的生物材料已经由注射筒尖端沉积在工作台111上后，或在预定的时间长度后，或根据选择性因素或包括但不限于前面所述的因素组合更换。在某些实施例中，屏障285可为可生物降解和/或可回收利用的。尽管在一定的实施例中，屏障285在一次使用后被丢弃，但是屏障可以重复使用，例如，在杀菌过程后。因此，屏障285允许保护在内部的部件不受外部环境的影响，创造有利于制造3D生物材料的无菌条件来，3D生物材料可具有组织工程实现。在至少一个实施例中，屏障285和打印机组件的所有其它聚合物部件由根据USP Class VI和ISO 10993标准的纯塑料制造，并且经受γ射线杀菌。在至少一个实施例中，所有的材料(例如，聚合物和非聚合物材料)都是FDA批准的。在至少一个实施例中，屏障可基本上为不可渗透的。屏障285可形成为保护其内容物的手套或套筒。
在某些实施例中，屏障285可首先用放置在内部的部件密封，并且其后杀菌，例如，通过伽马射线、高压蒸汽杀菌器，通过环氧乙烷氧气体、UV光曝光，或者用一个或多个杀菌化学成分，例如漂白剂配方。在制造后，一旦打印结构从屏障285去除用于打印后处理(例如，繁殖)，所有事项均可处置。在包含胶原蛋白、中和剂和细胞培养基的墨水混合前，打印机臂与屏障285组装。在至少一个实施例中，混合前执行的操作包括打印机组件的机器轴的“归位”，以保证正确的定位，对屏障285进行充气，将屏障285定位在打印机臂和打印机床的上方，并且将屏障285连接到壳体。在将屏障285连接到壳体后，打印机床和挤压机轴定位以准备在打印机床上制造3D结构。空的注射筒定位在屏障中，并且开关(stopcock)的位置调整为接收用于打印的材料(例如，生物材料)的流动。在至少一个实施例中，打印机床和打印机的温度允许补偿。更具体而言，打印机床111在打印前被加热，而打印机臂被冷却。接下来，准备下面更加详细讨论的端口，以便接收生物材料。
这样，打印机组件可在混合前完全组装，因此减少墨水混合后执行组装步骤浪费时间的风险。此外，打印机组件在混合前完成，以允许实现打印表面的热平衡和注射筒壳体的热平衡。在至少一个实施例中，胶原蛋白、细胞介质和中和剂可提供在形成添加剂的物理屏障的一次性附件中。此外，在至少一个实施例中，打印机组件可配备有多个传感器，包括下面的一个或多个：(1)电热调节器，在打印床或打印臂的至少一个中，以测量***温度，(2)压力传感器，配置为测量屏障内的压力，(3)开关和/或位置传感器，例如，限位开关，限制打印床、打印机臂或挤压机***的任何一个或全部的位移，和/或位置传感器，提供前述部件的任何一个或全部的“归位”，以保证它们在希望的位置，(4)一个或多个编码器，在***的一个或多个电动机上提供闭环反馈，以及(5)位置传感器，检测一个或多个注射筒尖端和活塞的位置以确定正确的对准和安装。此外，在至少一个实施例中，可提供附加传感器，例如冷却剂传感器，测量冷却流体的温度和/或水平，以及气流传感器，测量***内的气流。
在至少一个实施例中，在将生物材料提供到这里的至少一个实施例的打印机组件后，生物材料可保持在适当的温度，并且具体地通过保持注射筒壳体241在控制的温度下。在某些实施例中，生物材料保持在约-20℃至约15℃的温度。该温度可包括但不限于约-15℃至约10℃、约-10℃至约10℃、约-5℃至约10℃、约0℃至约10℃、约2℃至约8℃、约2℃至约6℃、约2℃至约5℃、约2℃至约4℃、约3℃至约6℃、约3℃至约5℃、以及这些值的任何两个之间或小于这些值的任何一个的范围。在一定的实施例中，保持温度可包括但不限于约2℃、约3℃、约4℃、约5℃、约6℃、以及这些值的任何两个之间或小于这些值的任何一个的范围。在一个实施例中，生物材料保持在约4℃的温度下。在至少一个示范性实施例中，冷却机构可包括下面的一个或多个：(1)热电冷却***，或(2)冷却电路，配置为通过传热块循环冷却流体。
图1E是示出屏障285的侧视图，屏障285为基本上矩形或立方体形状，其边界与壳体101的边界一致。如图1E所示，屏障285可设置为与进口289在一起，进口289也可称为进口部分，用作打印机的臂组件之间的屏障，例如肩关节210、上臂220和下臂230以及工作台111。这样，通常不处置或更换的部件，例如上臂220和下臂230，与工作台111上创建的制造结构隔离。上臂220和下臂230一起形成打印机组件的双臂***，它允许旋转平面运动，使之转化为注射筒245的尖端的直线运动。
图1F是图1E所示***的透视图，包括包围上臂220和下臂230的进口289，并且因此在臂组件和注射筒之间提供屏障。例如，进口289内允许上臂220和下臂230的双臂运动，并且上臂220和下臂230的运动自由度不受进口289的限制。因此，进口289不阻碍打印机组件的运动或挤出能力。此外，在没有屏障285振动或畸变的情况下，进口289允许打印机组件的运行。包括进口289的屏障285也不破坏清洁罩内的层流气流，在清洁罩内，打印机***可适于打印操作。
底盘和工作台
图2A是根据一实施例包括电动机组件和工作台的***的一部分的侧视透视图。如图2A所示，工作台111在多个导针113的上面升高。导针113用于在底盘120的上方对工作台111提供结构支撑且升高工作台111。此外，导针113帮助避免工作台111旋转且保持其高度和竖直运动。在至少一个实施例中，导针113防止工作台111旋转且保证床上的行进是线性的和水平的。导针113配置为设有套管114，套管114同心地设置在导针113周围。套管114联接到底盘120，从而将工作台111安装到底盘120。此外，中央平台294设置在工作台111下侧的大致中心且联接到底盘120。中央平台294包括至少一个孔，其大小为容纳导螺杆116。平台294保持皮带轮117就位。电动机102配置为与传动皮带118联接以实现驱动导螺杆116，以便调整工作台111的高度。
图2B是根据一实施例包括电动机组件和工作台的***的一部分的正面透视图。如图2B所示，壳体101包围其它部件中的电动机102、底盘120、平台294、套管114和导针113。除了图2A所示的部件外，图2B的***还包括裙座112。裙座112可形成为可折叠的结构，可伸展或收缩来调整工作台111的高度(例如，响应于裙座112上的负载通过其自身折叠或在其上压缩)。裙座112还隔离前述驱动部件与清洁罩内的无菌环境。此外，裙座112可设置为位于工作台111和壳体101之间。
图2C是根据以实施例包括电动机组件和工作台的***的一部分的截面图。如图2C所示，裙座112可构造为使裙112的最远边缘偏离工作台111的最远边缘。裙座112可包含多个单独褶皱。此外，裙座112的褶皱可就位在裙基的上方，裙基的直径大于其褶皱的直径，从而裙座112的褶皱的半径大于工作台111的半径，但小于裙基的半径。在至少一个实施例中，裙座112可由一种或多种柔性材料组成，包括但不限于聚合物、橡胶、硅、复合材料和薄金属。这样的示范性柔性材料可根据GMP标准无菌清洁。
图2D是根据一实施例的包括电动机组件和工作台的***的截面图。如图2C所示，壳体101在水平方向上从***的第一端延伸到第二端，例如也如图2B所示。在壳体101的第一端，设置电动机102。在至少一个实施例中，电动机102可为步进式电动机，即无刷DC电动机。电动机102设置在底盘120的上方且配置为联接到皮带轮119。步进式电动机102的皮带轮119配置为支持皮带118沿其圆周的运动。
再一次参见图2D，皮带118是一种带子，用于控制工作台111的运动。特别是，皮带118联接到第二皮带轮，皮带轮117，其通过导螺杆116与工作台111连通。导螺杆116设置为邻接底盘120，并且用轴承115(例如，球轴承)定位，轴承115在导螺杆116的下端同心设置在导螺杆116的周围，导螺杆116可为外螺纹。另一对轴承在导螺杆116的下端和导螺杆116的上端之间设置在导螺杆116的左侧和右侧。例如，轴承可设置为邻近皮带轮117的上表面。此外，在导螺杆116的上端，可定位驱动块106。驱动块106可为内螺纹，用于将导螺杆116的旋转运动转换成工作台11的线性运动。轴承115限制导螺杆116的运动。轴承115设置在一个或多个保护架107中，保护架107位于平台294的上部和下部，构造为保持导螺杆116和皮带轮117。
再一次参见图2D，在壳体101的第二端，套管114设置有导针113。套管114在导针113的基座部分围绕导针113同心设置。导针113从套管114向上突出以延伸通过套管114的最上表面。壳体101中的开口允许导针113通过且延伸超过壳体101的表面以接触工作台111。在至少一个实施例中，工作台111可在其下侧设置有开口以接收导针113。导针113的大小可为使导针的高度小于裙座112伸展时的高度。
此外，在至少一个实施例中，如图2D所示，工作台111可包括位于工作台111的上表面的一个或多个真空端口292。例如，端口292的每一个可为圆柱形孔，其配置为接收软管293。软管293可通过设置在工作台111的表面的真空板配合在端口292附近。软管293可用于生成真空(负压)以通过抽吸保持盘或其它元件就位。例如，可建立真空，以确保印刷盘、培养皿、组织培养盘、扁平材料、或由塑料、玻璃或金属的一种或多种材料、复合材料或上述任何组合制成的有壁容器的安全。
此外，在至少一个实施例中，诸如上面描述的那些盘或材料可在非真空状态下连接到工作台111。例如，在一定的实施例中，无菌临时粘合剂可用于将印刷盘、培养皿、组织培养盘等连接到打印床。在又一个实施例中，可用静电电荷保持印刷盘就位。例如，通过给工作台111和打印盘施加相反的静电电荷，可将打印盘保持就位。
另外，在至少一个实施例中，在工作台111位于导螺杆116和电动机102之间的部分，接触组件可设置在工作台111的一端和裙座112之间。接触组件包括设置在弹簧104之上的垫109。弹簧104是弹性构件，设置有密封构件103，例如O型圈和接触件105。垫109可为诸如“触发”垫的构件，当被注射筒245的尖端247压下时完成接触件105之间的电路，即响应于垫109上的尖端247的载荷。在另一个实施例中，压力敏感传感器可设置在垫109下，检测尖端247的接触用于尖端247的“归位”。这样的***可以确认尖端247已经正确定位，特别是，尖端247的底部已经相对于工作台111的顶部正确定位。在至少一个选择性实施例中，探针垫不用于检查尖端247的高度。相反，整个床可以在压力下移动到指示的尖端高度或位置。通过检查床上的不同点，可以绘制出水平平面。如果工作台111倾斜，则用于操作打印机的控制器的控制程序可补偿该倾斜(下面将更加详细地讨论)。
此外，在至少一个实施例中，***配置为确定在打印前是否沉积尖端247被启动。特别是，称重传感器可用于确定是否沉积尖端247被启动。这样的确定通过触发称重传感器来进行，与用于设定尖端247相对于打印床的高度的方式类似。更具体而言，打印材料(例如生物材料)可以沉积在该称重传感器上，从而在该称重传感器本身上放置一个质量块，以确定材料存在于尖端247上。
再一次参见图2D，工作台111设置在壳体101的一部分处，该部分低于壳体101中设置电动机102的部分。沿着壳体101的该下部的部分，裙座112设置在壳体101和工作台111之间。另外，也可设置加热器108。在至少一个实施例中，例如，加热器可为筒型加热器、硅加热器、陶瓷加热器或
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(聚酰亚胺)加热器。例如，加热器配置为加热打印表面以达到或保持有助于打印结构形成的理想条件。在一定的实施例中，加热器108配置为保持打印床在所希望的温度范围。例如，加热器108可配置为保持打印床在可最大化生物材料的凝胶速率的温度。该温度范围可为，但不限于约25℃至约37℃、约27℃至约35℃、约30℃至约33℃、以及在这些值的任何两个之间或小于这些值的任何一个的范围。例如，适当的温度可包括但不限于约25℃、约27℃、约30℃、约32℃、约35℃、约37℃、以及在这些值的任何两个值之间或小于这些值的任何一个的范围。
挤压***
图3C是根据一个实施例的包括挤出***的***的截面图。挤压***包括柱塞、柱塞致动器和注射筒部件以及调节生物材料的流动方向的阀门，如下面所讨论的。挤压***设置有下臂230。如图3C所示，除了一对皮带轮257、258外，电动机255设置为实现连接到下臂230的挤出部件的运动。皮带轮258是致动器电动机皮带轮，其在电动机255和皮带轮257之间传输功率。皮带轮257是导螺杆皮带轮，其在电动机255和导螺杆248之间传输功率。由电动机255驱动的皮带连接皮带轮257、258，下皮带轮258导致具有外螺纹的导螺杆248旋转。响应于信号(例如，来自可编程控制器)，电动机255配置为转动导螺杆248，从而通过柱塞致动器249激发柱塞240控制注射筒245的运动。
挤出***包括柱塞240、用于注射筒245的注射筒壳体241和阀门242，注射筒245配置为容纳生物材料且将其沉积在工作台111上。注射筒245可为包括柱塞240的往复泵，柱塞240配合在壳体241内。柱塞240可沿着壳体241的内部线性推拉，允许注射筒通过壳体241的前端(开口)的排放孔获取和排出生物材料。
在***的左下侧，定位注射筒245的尖端247。尖端247配置为在工作台111(未示出)上沉积生物材料。尖端247可保持就位和/或通过尖端***246引导到所希望的位置(例如，工作台111之上的特定位置)。尖端***246可形成为臂，臂在尖端247的方向上从注射筒壳体241向下突出。注射筒壳体241设置在导螺杆248之下。
在加载生物材料后，柱塞240可通过联接器与柱塞致动器249配对。致动器249邻近且邻接O型圈243。O型圈243用于提供振动阻尼且作为内部打印机环境和无菌屏障环境之间的密封。柱塞240设置在致动器249之下。当致动器249以及致动器249和注射筒之间的联接合器不包封在臂220、230中时，它们仍然由屏障285与打印结构隔离。此外，柱塞240设置有柱塞头244，在柱塞240的与沉积尖端247相反的一端。联接器设置为将柱塞头244连接到挤出机的轴。
导螺杆248驱动具有内螺纹的致动器249，以在柱塞头244上作用力。因此，建立导螺杆248和致动器249之间的螺纹连接。这样，导螺杆248的旋转移动柱塞致动器249进出下臂230，因此导致柱塞240移动，从而生物材料通过阀门242抽吸到尖端247。此外，由于注射筒245的运动由致动器249驱动，注射筒没有设置集中在尖端247的实现运动的很多部件。也就是说，挤压***包括分布在注射筒的轴向方向上的部件，最小化位于下臂230的端部的质量。这与其中垂直挤压单元在一端具有尖端的***和相对于尖端(例如，堆叠在尖端顶部的多个部件)以垂直布置定位的挤压部件形成对比。这种垂直***通常将质心延伸到离机器枢轴点更远的地方，从而增加***的振动和惯性。
在至少一个实施例中，阀门242是调节液体流量(例如，生物材料)的三通开关，从而启动和阻止生物材料流到尖端247。在至少一个实施例中可手动操作开关。此外，开关可与一个或多个位置传感器一起使用以保证在打印前的适当对齐。
可采用各种选择性实施例，可包括或省略注射筒245和柱塞240的一个或多个。例如，在至少一个实施例中，注射筒245可配置为接收由流体(例如，气体或液体)加压的生物材料，而不提供柱塞240。例如，加压流体(例如在至少一个实施例中的无菌空气或不可压缩的缓冲介质)可在注射筒245的第一端引入注射筒245中，注射筒245的第一端与沉积尖端247附近的第二端相对。例如，空气压力作用在注射筒内的活塞上以导致活塞向下定向生物材料且通过沉积尖端247排出生物材料。在至少一个实施例中，注射筒与加压流体向其作用的端盖配合，并且墨水通过喷嘴排出。一个或多个压缩机泵可用于施加压力，以恒定或可变的速率和/或维持低于阈值压力的压力对流体进行加压。
在一个或多个进一步选择性实施例中，打印机包括一个以上的注射筒245。例如，在至少一个实施例中，两个或三个注射筒可以以与上面讨论的单一注射筒245相同的方式安装到臂。此外，两个或多个注射筒245可合在一起。例如，两个或多个注射筒245可结合为从公共的沉积尖端247伸出；作为选择，每个注射筒245可设置有其自己的单独尖端。此外，注射筒可通过将各柱塞240共同连接到导螺杆248的电动机而伸出。另外，在一定的实施例中，多个注射筒245的一个或多个可通过其自己的对应导螺杆电动机伸出。
更进一步，在至少一个实施例中，示范性挤出机可包括管子或软管，并且可省略注射筒245。在至少一个实施例中，管子或软管可分段，具有在屏障285之外的至少一第一部分和在屏障285之内的至少一第二部分。在另一个实施例中，管子或软管可为连续的供给线。例如，管子或软管可通过一个或多个垫圈、密封件和/或端口***，例如，设置在屏障285之中和/或之上的端口3、9。如下面更加详细的讨论，这样的端口可为流体配件，提供从屏障285的外面到其内部的无泄漏连通。在这样的实施例中，管子或软管填充有受压的生物材料，并且将受压的生物材料直接提供到沉积尖端247。通过管子或软管供给到沉积尖端的生物材料可从储存器抽出。另外，在至少一个实施例中，喷墨材料沉积可用于在基板上沉积生物材料。
而且，在至少一个实施例中，可采用除了阀门242外或此外的阀门，例如，其注射筒245配置有柱塞240，和/或其注射筒245配置为接收受压的生物材料而没有柱塞240，和/或其管子或软管填充有受压的生物材料(即，没有注射筒245)。这样的阀门可允许生物材料流动到沉积尖端247的控制。在至少一个实施例中，阀门可为夹管阀、球形阀、螺线管阀、隔膜阀和针阀的一种或多种。
一定的实施例包括验证沉积已经或正在正确执行的机构。例如，在至少一个实施例中，可进行实时验证以确认材料已经从沉积尖端247沉积在所需的位置。在至少一个实施例中，例如，可以使用一个或多个物理探头、激光、声纳信号、超声波信号、立体声摄像机或激光雷达中的一个或多个验证仪器来进行验证。特别是，可以使用诸如单点激光、线激光器或二维激光阵列等激光来确定是否已经或正在以预定的方式进行沉积。该验证仪器可允许从尖端247中沉积材料所形成的物品的三维扫描。例如，验证仪器可以是线激光器，其配置为用于检测和测量物体表面的轮廓(例如，三维印刷制品)。
为了说明而不是局限，如果验证仪器是物理探针，例如，则探针可以采用与打印机相同的驱动机构。在至少一个实施例中，验证仪器可以安装在打印臂组件的下打印臂230上，下面将对其进行更详细的讨论。例如，可以进行随机验证以评估在一个或多个预期位置上是否一致地发生沉积。可以进行随机验证以评估沉积是否持续发生在一个或多个预定位置。
包括上臂和下臂的臂组件
图3A是根据一实施例的***的一部分的俯视图。如图3A所示，肩关节210与上臂220对齐。上臂220可与下臂230定位在相同轴向方向上，从而从上面看时呈现为直线。图3B是根据一实施例的***的俯视截面图。与图3A一样，在图3B的截面图中，上臂220和下臂230对齐以形成直线。上臂220关于肩关节210自由旋转。下臂230和肘关节221从上臂220自由旋转。肩关节210内为上臂220设置了花键182。花键设置在上臂220的下侧。花键182与上臂220的花键臂联动装置结合。
如上所述，肘关节221提供为上臂220和下臂230之间的铰链连接，而肩关节210设置在上臂230。肘关节221设置在肘关节轴252中。类似地，在上臂220，设置肩关节轴264，肩关节轴264中定位有肩关节210。肩关节轴264旋转皮带轮261、269，皮带轮261、269由同步齿形带连接。肩关节轴264与肘关节轴252相对，肘关节轴252锁入安装环251中。安装环251是安装在下臂230上的轴环，以将肩关节轴264的旋转运动传输到下臂230。肩关节轴264和肘关节轴252配置为相对于多个球轴承自由旋转，如下面所讨论，并且由多个推力轴承轴向保持，如下面所讨论。
在致动器249的上方，安装环251围绕肘关节轴252设置。肘关节轴252还设置有在其上部的肘轴皮带轮269。推力轴承258设置在肘轴皮带轮269的上方，并且推力轴承253、254定位在安装环251的上方。球轴承267相对于肘关节轴252在其轴向侧端同轴设置。肩关节轴264包括球轴承260、262，设置在肩关节轴皮带轮261的下部和上部。推力轴承263设置在肩关节皮带轮261和球轴承262的上方。
图4A是根据一实施例的***的一部分的分解图。与图3A和3C一样，上臂220和下臂230在轴向方向上对齐。肩关节轴264容纳肩关节210，而肘关节轴252容纳肘关节221。至少一个旋转密封件定位在轴264上，以进一步隔离打印机臂的内部与无菌环境。在至少一个实施例中，上臂可设置有至少一个格状部分，允许壳体在实现结构刚性的同时减少重量，如图4A所示。在至少一个实施例中，上臂可具有实心顶壳266，如图4B所示。壳266可由光滑表面限定，例如，光滑的上表面和下表面，并且基本上由无孔材料形成。轴252、264形成中空通道，提供用于冷却流体的一个或多个管路以流动到注射筒壳体241，从而在注射筒壳体241和冷却剂源(例如，储存器)之间建立流体相通。这样的冷却流体通过热电冷却促进***中的热交换。例如，如上所述，在一个实施例中，生物材料保持在约4℃的温度。为了保持注射筒壳体241在这样的温度，可在一个或多个轴252、264中设置液压通道，以输送冷却剂到注射筒壳体241。此外，在至少一个实施例中，轴252、264可容纳电线，其穿过由轴限定的中空空间，例如，将电线输送到电动机280、299。
图4C是根据一实施例包括多个活动臂的***的一部分的侧视图。上臂220和下臂230包围在屏障285的进口289中，屏障285的进口289用于遮蔽臂220、230。在下臂230之下，注射筒245在进口289内的位置加载有生物材料。注射筒245封装在进口289内。注射筒的其它部件，例如，柱塞240，设置在进口289内。此外，在至少一个实施例中，屏障285连接到壳体101或底盘120，例如，通过连接片或夹子11。
在至少一个实施例中，臂组件的远端部分由一次性护套覆盖。在至少一个实施例中，仅上臂220的一部分和/或仅下臂230的一部分，和/或下臂220和/或上臂230的这两个的部分或全部可由一次性护套覆盖。这样，一次性护套将臂组件的一个或多个部分或者臂组件的全部与注射筒分开。
电动机驱动和臂轴
图5A是根据一实施例的电动机和臂组件的第一透视图。电动机和臂组件包括第一电动机280和第二电动机299。第一电动机280联接到包括第一导螺杆282的第一组件，第一导螺杆282通过第一联动装置281联接到肩关节驱动轴264，以控制下臂230的驱动。第二电动机299联接到包括第二导螺杆296的第二组件，第二导螺杆296通过第二联动装置297联接到肩关节轴264，以控制上臂220的驱动。
图5B是根据一实施例的电动机和臂组件的第二透视图。图5B是从图5A的相对侧取出的透视图，其臂220、230在后侧。如图5B所示，第一和第二组件的结构可基本上类似，因此允许减少一些独特部件。此外，通过堆叠两个电动机280、299与第一和第二组件，双臂运动***可在紧凑的空间中实现。而且，机械臂行进可在制造结构(打印结构)上最小化。此外，皮带118和皮带轮117、119、257、258、261和269提供在密封的外壳中，因此与清洁罩内建立的无菌环境进一步隔离，允许无菌清洗。在至少一个实施例中，所有的皮带、电动机、电路板、传感器和配线组件由屏障285围绕且密封。这些部件的壳体基本上是光滑的且无孔，抑制了异物的进入。
图5C是根据一实施例包括电动机驱动组件的***的一部分的第一分解图。在至少一个实施例中，电动机驱动组件具有一个或多个基本上光滑和无孔的壳体。特别是，图5C示出了上臂220的电动机驱动部件。在图5C中，电动机280设置为邻近枢轴283，其根据一个或多个实施例可为无螺纹轴向枢轴。枢轴283允许电动机对电动机驱动壳体287和导螺杆282的壳体的旋转。在电动机驱动壳体287内，可容纳多个部件。例如，可设置导螺母286，随着电动机旋转导螺杆282，导螺母286沿着导螺杆282线性驱动。导螺母286可连接到联动装置轴，联动装置281、297绕联动装置轴旋转。肘关节轴252可与电动机驱动壳体287连通以控制肘关节221的运动。至少一个旋转套管定位在轴252上。图5D是根据一实施例包括电动机驱动组件的***的一部分的第二分解图。如图5D所示，第一联动装置281可设置在电动机驱动壳体287和下臂230之间。
图5E是根据一实施例的下臂电动机驱动的截面图。下臂230的电动机驱动组件可与上面描述的上臂220的类似。联接器头284可设置为将电动机299联接到导螺杆282。联动装置螺杆轴288配置为与导螺杆282连通，例如，通过螺母286。联动装置螺杆轴288连接到第一联动装置281，第一联动装置281与肩关节轴264连通，肩关节轴264将在关节210处被连接。电动机280绕联动装置螺杆轴288旋转。在至少一个实施例中，联动装置配置为关于肩关节210的轴线以弧形路径行进。
图5F是根据实施例包括电动机驱动组件的***的一部分的透视图。如图5F所示，肩关节轴264配置为与第一联动装置281连通，以响应于导螺杆282的旋转运动。联动装置281可包括在其一端的爪，如图5D中的俯视图所见。爪的大小可为使爪的上齿可连接在导螺杆282的上方，而下齿可连接在导螺杆282之下，上尖头和下尖头配合在导螺杆与电动机驱动壳体287的对应的上表面和下表面之间。
如上所述，导螺杆282、296可设置有联动装置281、297，使得联动装置281、297被旋转驱动。这样，与皮带驱动的***相比，可最小化***中的反冲。此外，与皮带驱动***相比，可实现在x-y平面中的较大加速度。特别是，导螺杆通过旋转执行旋转能量的传输，而皮带驱动***通过皮带在多个皮带轮上的运动传输功率，一般要花费更长的时间。在某些实施例中，该***可实现如下的加速度：至少约50,000mm/s2、约50,000mm/s2至约60,000mm/s2、约60,000mm/s2至约70,000mm/s2、约70,000mm/s2至约80,000mm/s2、以及在这些值的任何两个之间或小于这些值的任何一个的范围。相反，传统笛卡儿龙门***可在约3,000mm/s2至15,000mm/s2之间加速。这样的***由于材料的剪切稀化特性不能实现足够的行进加速度而以光滑、均匀的方式打印生物材料。与由上述电动机实现的功率输出一起共同形成***的上述结构的物理设置方案有助于由一个或多个实施例实现加速度的提高。
在一个或多个实施例中，选择性驱动机构可用于上面讨论的臂组件，其包括上臂220和下臂230，和/或用于打印床或工作台111。例如，臂组件和工作台111的每一个的驱动机构可包括但不限于下面的一个或多个：电缆驱动***、非捕获线性致动器、电磁运动***、皮带和皮带轮***、直接驱动联动装置、气动致动器和/或电动机、液压致动器和/或电动机、齿条和齿轮传动装置、以及驱动凸轮联动装置的叶轴。更进一步地，在至少一个实施例中，电动机可直接连接到联动装置臂281、297，而没有前述的驱动导螺杆282、296。此外，在至少一个实施例中，电动机可用如上所述的皮带和皮带轮***或者用齿条齿轮***驱动。前述驱动机构的一个或多个可用于升高或降低工作台111和/或实现臂的运动。
一次性部件
图6A是根据实施例包括一次性屏障的***的一部分的透视图。一次性屏障285包括进口289，并且进口289形成为使包括上臂220和下臂230的打印机臂组件可从第一侧1***进口289中。一次性屏障285的下边界10延伸通过一次性打印平台2，从而一次性打印平台2由屏障285围绕。在某些实施例中，一次性打印平台2可设置在上面讨论的工作台111的上方。在更换屏障285时，可更换一次性打印平台，例如，在制造规定量的三维结构时的每个打印过程后，或在不同的时间。在至少一个实施例中，一次性打印平台2可配置为包封工作台111。一次性打印平台可小于工作台111，但足够大，以使多个制造结构可在其上产生。在至少一个实施例中，一次性打印平台2可形成为圆盘，或者符合或不符合工作台111形状的任何形状。一次性打印平台2可包括在打印床上的塑料护皮，由金属、金属合金、塑料或其任何组合制造。在至少一个实施例中，一次性打印平台2包括不锈钢和/或塑料。连接片11可设置在拐角上，以钩住打印组件上的锚定点，例如在壳体101上。
图6B是图6A所示***的一部分的详图。该***还包括通道4，用于将材料加载端口3连接到阀门242。在至少一个实施例中，通道4是中空管。阀门242与注射筒245连通，并且阀门242旋转以允许通过尖端247的挤出。在至少一个实施例中，尖端247可具有至少一个锥形边。此外，在另一个实施例中，尖端247可具有直线轮廓，而没有锥形边。尖端配置可调整为实现由注射筒245沉积的材料的特定流体行为。
图6C是根据一实施例包括一次性屏障的***的一部分的俯视图。提供多个端口3、9，可为卢尔锁(luer locks)，即在屏障285或其中的部件与其外部之间建立无泄漏连通的流体配合。例如，端口3可用于将生物材料加载在注射筒245中。作为进一步的示例，端口9可用于在制造三维结构前用无菌空气加压屏障285。在一个实施例中，屏障285可加压且保持在约1至约75psi、约14至约75psi、约20至约75psi、约14至约65psi、约14至约50psi、约14至约40psi、约11至约20psi、约14至约17psi、在约11psi、约12psi、15psi或约17psi之上、以及在这些值的任何两个值之间或小于这些值的任何一个的范围。特别是，屏障285可加压且保持在大气压，这可在打印(三维结构制造)期间保持。保持一次性屏障285在这样的压力下允许一次性屏障285的结构保持例如长方体形状，并且在用于制造三维结构的屏障285内提供足够的清洁度。
图6D是根据一实施例包括一次性屏障的***的一部分的侧视图。如图6B所示，清洁机构7可提供在屏障285靠近注射筒尖端247的底座处。清洁机构7可为刮水器或刮水板。注射筒尖端247可控制为接触清洁机构7，从而清洁尖端247。例如，通过导致尖端247接触清洁机构7，尖端247上保留的材料可从尖端247清除。清洁机构7可由海绵材料形成，以规则的间隔更换，例如，在处置屏障285时。
操作
图7是示出根据至少一个实施例的打印方法的流程图。具体而言，图7示出了采用上述一个或多个实施例的***制造三维结构的过程700。这里列举的操作顺序是示范性的，并且本公开不限于图7所示的示范性顺序。在至少一个实施例中，过程700包括调整打印机***的一个或多个部件的温度，在步骤101。例如，如上所述，臂220、230可冷却，并且打印床可加热。过程700还包括定位且加压诸如屏障285的屏障，在步骤702。例如，定位屏障285可包括将屏障285设置为覆盖底盘120，并且将连接片或夹子11提供为将屏障285固定就位。连接片或夹子11的位置是连接点，屏障285在此连接到打印机组件。在至少一个示范性实施例中，例如，连接片或夹子11可包括但不限于钩子、插销、磁铁、真空装置、吸盘、螺丝和夹子。
再一次参见过程700的步骤702，屏障285可加压，如上所述，例如，通过一个或多个端口引入无菌空气。此外，包括上臂220、下臂230及其间连接的臂组件以及注射筒245可定位在进口289中，在步骤703。尖端247没有包围在进口289内，而暴露到屏障285内的环境。此外，诸如生物材料的材料混合且通过端口3加载在通道4中，从而传输到注射筒245，在步骤704。阀门242可打开，以允许生物材料的通道达到沉积尖端247，在步骤705。尖端247可在打印床上沉积材料，打印床例如为一次性打印平台2或直接在工作台111上。该材料在打印床上以连续层沉积，因此形成一个或多个三维结构，在步骤706。例如，臂组件可操作为在打印床上的一个或多个位置执行生物材料的初始层的沉积，接下来是生物材料的后续层。在至少一个实施例中，屏障不移动，而臂在屏障内移动。在制造后，屏障可处理，在步骤707。此外，打印机***或其单独的部件可在制造后清洗。
在至少一个实施例中，无菌打印机的组装方法包括清洁容器，例如注射筒245，以及将容器连接到阀门242，例如，开关。阀门242可在注射筒245的一端连接到注射筒245，例如，在注射筒245的第一端的第一侧。阀门242控制流动方向，以允许材料进入容器中。接下来，沉积尖端247连接到容器。例如，沉积尖端247可在注射筒245的第一端的第二侧连接到注射筒245，从而阀门242和沉积尖端247设置在注射筒245的一端的相对侧上。这样，沉积尖端247、注射筒245和阀门242可组装在一起。
在将沉积尖端247、注射筒245和阀门242组装到一起后，组装后的部件(沉积尖端247、注射筒245和阀门242)可连接到固定器。固定器固定组装后的部件。在某些实施例中，组装的部件可沿着固定器在一个或多个点夹到固定器中。一旦组装的部件固定在固定器中，则固定器与印刷平台2一起，设置在一次性屏障285中。在某些示范性实施例中，一次性屏障可为一种配备有至少一个孔的袋子，该孔被配置成用盖子关闭。例如，通过将盖子拧下或拧到在袋上，将盖子移除或固定在袋上上。该实施例的孔大小为至少接收固定器以及打印平台2，固定器中固定了尖端247、注射筒245和阀门242。一旦固定器和打印平台2***屏障285中，则屏障285的盖子可定位为关闭屏障285，因此密封屏障285的内部。
根据至少一个实施例，在将盖子关闭在屏障285上后，屏障285采用示范性杀菌过程杀菌，如上面所讨论。屏障285排列且定位在打印机底盘120上。此外，打印平台2排列且定位在屏障285内底盘120上的所希望位置，而不打开或穿透屏障285。然后，屏障285用无菌空气充气，以在充气后实现屏障285内不变的体积容量。柱塞240通过屏障285的一侧上设置的至少一个端口加载有生物材料。端口通过软管连接到屏障285内的阀门242。阀门242的位置可在屏障内调整，例如，通过手动操作阀门242，例如，这样的操作通过在屏障285外面产生的手动运动能执行。因此，在至少一个实施例中，阀门242打开或关闭而不穿透屏障285，从而屏障285保持完整。一旦打开阀门242，则允许材料流动达到沉积尖端247。
在至少一个实施例中，为了制造一个或多个三维结构，打印机组件可通过电连接或连同联接到控制器而控制。控制器配置为控制打印机组件，例如，以根据控制程序在平台2或工作台111上沉积材料。例如，控制程序可规划注射筒245行进的路径，并且可根据诸如生物材料的流变和流体动力学特性(例如，非牛顿行为)和要制造的三维结构的形状的因素控制沉积。
控制器也可配置为控制电动机120、255、280和299的一个或多个和/或阀门242。控制器可包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等，或其组合。控制器可包括非挥发存储器，可包括但不限于电子的、光学的、磁性的或能给处理器ASIC、FPGA等提供程序指令的任何其它的存储或传输装置。存储器可以包括存储器芯片、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存或控制器可以从中读取指令的任何其他适当存储器。指令可以包括来自任何适当编程语言的代码。控制器还可以基于存储在存储器中的信息控制打印机部件，例如与工作台111的倾斜相关的测量数据，以补偿倾斜。
虽然本说明书包含许多具体的实施方式细节，但不应将其解释为对可能要求的范围的限制，而应理解为对特定实施方式的特性的描述。本说明书中在不同实施方式的上下文中描述的某些特征也可在单一实施方式中组合实施。相反，单一实施方式的上下文中描述不同特征也可分别实施在多个实施方式中或在任何适当的子组合中。而且，虽然上述特征可以被描述为在某些组合中起作用，甚至最初声称是这样的作用，但在某些情况下，可以从声称的组合中切除一个或多个特征，并且声称的组合可以指向子组合或子组合的变体。
在此使用的术语“联接”、“连接”等意味着两个部件直接或间接地连接在一起。这种连接可以是固定的(例如，永久的)，也可以是可移动的(例如，可去除的或可释放的)。这样的连接可用两个部件来实现，或者两个部件和任何附加中间部件整体彼此形成单一整体，或者两个部件或两个部件与任何附加中间部件彼此连接。
在这里使用的“流体联接”、“流体连通”等术语是指两个部件或物体具有在两个部件或物体之间形成的一条通路，其中流体，例如水、空气等，可以流动，有或没有***部件或物体。用于使流体连通的流体联接或配置的示例可以包括管道、管道或任何其它合适的部件，以使流体从一个部件或物体流向另一个部件或物体。
必须指出的是，各种示例实现中所示的***的构造和设置仅是说明性的，而不是限制性的。落入所描述实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改希望得到保护。应理解，某些特征可能没有必要，并且缺乏各种特征的实施方案可视为在本申请的范围内，该范围由所附的权利要求限定。当使用语言“一部分”时，该项可包括一部分和/或全部项，除非另有明文规定。

Claims (14)

1.一种打印机***，所述打印机***用于制造一个或多个结构，包括：
打印机组件，所述打印机组件包括：
臂组件，连接到打印机壳体；所述臂组件包括上臂，和连接到所述上臂的下臂；
打印表面，连接到所述臂组件的沉积尖端被配置为在所述打印表面的上方沉积材料，以制造一个或多个结构，所述打印表面设置在工作台上；以及
一次性屏障，所述打印表面设置于所述一次性屏障中，其中所述一次性屏障围绕所述打印表面的至少一部分，且其中所述一次性屏障被配置为将所述打印机组件的一个或多个臂的至少一部分与所述打印表面的至少一部分隔开，所述一个或多个臂在x-y平面上是可移动的，并且所述沉积尖端暴露在所述一次性屏障内的环境中。
2.如权利要求1所述的打印机***，还包括：
阀门，被配置为与所述沉积尖端连通，
其中所述阀门被配置为允许生物材料通过通道运动到所述沉积尖端。
3.如权利要求1所述的打印机***，其中所述屏障形成为套筒，所述套筒被配置为在多个连接点连接到所述打印机壳体。
4.如权利要求1所述的打印机***，其中：
所述屏障包括多个端口；
所述多个端口中的至少一个允许生物材料进入与所述沉积尖端连通的通道，使得所述生物材料流到所述沉积尖端；并且
所述多个端口中的至少一个允许将无菌空气引入所述屏障内。
5.如权利要求1所述的打印机***，还包括：
进口，形成在所述屏障中，
其中所述进口被构造为至少接收所述沉积尖端，并且
其中所述打印表面设置在一次性打印床的顶上。
6.如权利要求1所述的打印机***，其中所述工作台包括：
裙座部分；以及
电动机，被配置为调整所述工作台的高度。
7.如权利要求2所述的打印机***，还包括：
注射筒，所述阀门在所述注射筒的第一侧连接到所述注射筒，
其中所述阀门设置在所述沉积尖端和所述注射筒之间。
8.如权利要求2所述的打印机***，其中：
在不穿透所述屏障的情况下，所述阀门的位置是可调整的。
9.一种使用如权利要求1所述的打印机***来制造一个或多个结构的方法，所述方法包括：
将一次性屏障连接到所述打印机组件；
将生物材料提供到连接到所述打印机组件的沉积尖端；以及
通过所述沉积尖端将所述生物材料沉积在所述打印表面上，
其中所述打印表面被包围在所述一次性屏障内。
10.如权利要求9所述的使用打印机***来制造一个或多个结构的方法，还包括：
在不穿透所述一次性屏障的情况下，打开设置在所述一次性屏障内的阀门。
11.如权利要求9所述的使用打印机***来制造一个或多个结构的方法，其中：
在将所述一次性屏障连接到所述打印机组件后，执行要沉积在所述打印机表面上的所述生物材料的制备，并且
所述一次性屏障在一个或多个连接点连接到所述打印机组件。
12.如权利要求9所述的使用打印机***来制造一个或多个结构的方法，还包括：
在大气压下加压所述一次性屏障；
在所述打印表面上打印期间，在所述一次性屏障内保持所述大气压。
13.如权利要求9所述的使用打印机***来制造一个或多个结构的方法，还包括：
将所述沉积尖端连接在挤压机的一端，所述挤压机设置有柱塞；以及
激发致动器来驱动所述柱塞，以将所述生物材料输送到所述沉积尖端。
14.如权利要求9所述的使用打印机***来制造一个或多个结构的方法，还包括：
将所述打印机组件密封在所述一次性屏障内；
在所述打印表面上沉积所述生物材料后，从所述打印表面去除沉积的生物材料；以及
在去除沉积的材料后，去除所述一次性屏障和所述沉积尖端。
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