液滴组件及制备液滴组件的方法与流程

文档序号:13985027
液滴组件及制备液滴组件的方法与流程

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本发明要求2015年3月12日提交的GB 1504222.9的优先权,其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及主体的组件,特别是液滴的组件,以及用于生产这些组件的方法。



背景技术:

以3D打印制造液滴组件是众所周知的方法。WO 2014/087175描述了一种用于生产液滴组件的装置。组合中的每个液滴由水性介质组成,并分配到疏水介质中。在液滴介质和松散介质之间的界面处,每个液滴周围的两亲分子的自组装产生稳定液滴的单层。当两个液滴接触时,它们的单层粘附在它们之间的界面处形成双分子层。 结果是在疏水介质中的多个水滴的组合,其由液滴之间的界面处和液滴和大量介质之间的两亲分子稳定。

WO 2014/087175还相反地描述了相同的概念,液滴介质是疏水性的并且松散介质是水性的。

此外,描述了一种方法,其中在疏水介质中产生水滴的组合,并且疏水介质本身是悬浮在水性介质中的液滴。疏水液滴通过单层两亲分子稳定,滴液内的每个水滴通过单层的两亲性分子来稳定。这些所谓的“多组件”组件也在WO 2013/064837中描述。

在WO 2014/087175中,用于产生液滴组件的装置包括液滴发生器、相对于发生器可移动的容器和适于控制来自发生器的液滴的分配和容器相对于发生器的移动的控制单元。附加的液滴发生器也可以存在于装置中。

因此,可以看出,已经尝试通过3D印刷制备液滴的稳定组合。这种组合物可用于一系列应用中,例如用作药物递送载体。在WO 2014/087175中也印证了本技术的其他用途;包括组织工程、合成生物学、材料科学和工程、并且用作固体材料图案化的模板。然而,对于以前未被识别的液滴组件,存在其他有用的应用。 这是因为诸如WO 2014/087175中描述的那些液滴组件缺乏在更多种应用范围内使用所需的性能。

例如,WO2014/087175中的组件的有用性是有限的,因为由于两亲层的相对不稳定性,通常在从本体介质中移除时组装会崩解。对于较大直径的液滴,这一点更加明显。因此,水滴的组合被限制在产生它的疏水介质中。此外,由于这最终取决于自组装的两亲层的性质,因此很难调整整个组件的性质。两亲层的厚度、稳定性、化学组成和其它性质受到限制,这些限制又限制了液滴的形状、尺寸、稳定性、化学组成和其它性质。例如,液滴必须非常小,以使两亲性双层是稳定的,这又限制了组件的有用性。

因此,需要比现有的已知液滴组件更适用于更广泛应用范围的更稳定的组件。



技术实现要素:

本发明人已经发现,可以通过把保持在主体介质中的试剂的反应形成的胶囊的壳体和设置在与主体介质接触的松散介质中的试剂整合,来容易地制备胶囊组件。

为了解决上述问题中的至少一个,已经设计了本发明。优选地,本发明减少、改善、避免或克服至少一个上述问题。

该组件是完全自支撑和耐用的。组件的尺寸和组件内的胶囊的尺寸是可控的,并且可以根据需要将组件和单个胶囊制备成尺寸在一定范围内或者以相对大的尺寸制备。

根据本发明的第一方面,提供了一种用于制备包括多个集成胶囊组件的方法,所述方法包括以下步骤:

(i)提供包括主体试剂的第一主体,其中所述主体试剂是主体介质/或包含在主体介质中;

(ii)使所述第一主体与包含松散试剂的松散介质接触,并允许第一胶囊壳在主体介质和松散介质之间的边界处形成,由此产生第一胶囊,其中所述壳包含涉及主体试剂和松散试剂的反应的反应产物,反应如离子交联;

(iii)提供包含主体试剂的第二主体,其中所述主体试剂是/或包含在主体介质中;

(iv)使所述第二主体与包含松散试剂的松散介质接触,并允许第二胶囊壳在所述第二主体介质和所述松散介质之间的边界处形成,由此产生第二胶囊,其中所述壳包含涉及主体试剂和松散试剂的反应的产物,反应如离子交联;

(v)允许第一和第二胶囊壳整合,从而形成第一和第二主体的组件;

在本发明的另一方面,提供了一种用于生产包括多个集成胶囊组件的方法,所述方法包括以下步骤:

(i)提供多个离散介质,其中每个介质是/或包括第一试剂;

(ii)使每种介质与包含第二试剂的松散介质接触;

(iii)允许胶囊壳在含有松散介质的每种介质的边界处形成,从而提供胶囊,其中所述壳包含涉及主体试剂和松散试剂的反应的产物,反应例如离子交联;

(iv)允许离散介质的胶囊壳与至少一个其它离散介质的壳体整合,从而形成组件。

在一些实施方案中,主体试剂和松散试剂是在形成胶囊壳的反应中消耗的反应物。在一些实施例中,反应发生在主体介质的边界上,并作为在整个主体表面上的反应-扩散过程进行。

在替代实施方案中,主体试剂和松散试剂之一可以是催化剂,催化其它试剂转化为形成胶囊壳的材料。

形成胶囊壳的反应不包括两亲性物质在亲水-疏水界面处的吸附过程。

主体试剂和松散试剂之间的反应可以是凝胶化反应,例如聚合物链的离子交联。

第一和第二胶囊壳是可以集成整合的,例如通过将第一和第二主体紧密放置,壳增长的扩展使壳体整合形成组件。胶囊壳结构和多个主体的壳的整合确保了每个单独主体和组件能够作为一个坚固的整体,并且抵抗隔离,进一步长时间的操作(例如浸入另外的水性或疏水介质中)和储存而不损失结构完整性。

各主体的形状和尺寸没有特别限制,可以基于整个组件的目标特性来选择。 在一些实施例中,第一和第二主体是离散的液滴。或者,主体可以是更连续的延伸结构,例如通过主体介质的连续挤压形成的丝状结构。

在一些实施方案中,涉及主体试剂和松散试剂的反应产物是凝胶,例如水凝胶。就本发明的液滴组件的发明目的而言,凝胶显示出特别理想的性质,并且它们在液滴组件中的应用是前所未有的。

凝胶的使用提供了一种多孔胶囊壳,在壳形成过程中,促进主体试剂通过新生壳扩散,这有利于壳的增殖,从而有利于邻近壳的整合。

然而,反应产物不一定限于凝胶,只要产物能够完全包封主体介质,以产生稳定的胶囊,条件是壳从主体向外传播到允许相邻壳体整合的程度。壳增长的传播可能只是在向外的方向,或者可能是既可以向内,又可以向外。 在一些实施方案中,反应产物可以选自蛋白质的固体沉淀物(例如明胶),固体合成聚合物(例如尼龙)或金属盐(例如碳酸钙)。选择的材料将取决于生产后组件的预期用途。在优选的实施方案中,反应产物包括多孔结构,以促进主体试剂通过壳的扩散。在一些实施方案中,主体介质包含主体试剂。例如,试剂可以溶解在主体介质中。或者,主体介质可以包括主体试剂的悬浮液。在其它实施方案中,主体介质和主体试剂是相同的,即主体介质是主体试剂。在一些实施例中,主体介质可以不同于主体试剂。例如,试剂可以驻留在主体介质的表面上。

在一些实施方案中,第一和/或第二主体介质是水性介质。以这种方式,组合体具有增强的生物相容性,并且可以更容易地使主体介质适应,以包含各种各样的其它有用成分。

在一些实施方案中,松散介质是水性介质。在优选的实施方案中,该方法在主体沉积和组件形成期间仅使用水性介质。这在以前用于生产液滴组件的方法中是不可能的。水性松散介质使得该方法的性能简单,并且允许更有效地调整松散介质的组成。所得组合物的生物相容性也更容易提供。

此外,两亲-稳定的组件中的松散介质是疏水性的,组装内容物将随着时间迁移进入松散介质,最终导​​致组件的破坏。本发明克服了这个问题。在一些实施方案中,主体介质和松散介质是水性介质。 这在生产液滴组件的方法中以前是不可能的,其通常需要存在不混溶的介质,使得一种介质的液滴可以悬浮在大量的其他介质中。在一些实施例中,第一和第二胶囊壳是在一个反向球化过程形成的。在上述过程中,第一和第二主体介质被分配到含有松散介质的浴中。

在反向球化中,形成壳的反应-扩散过程是从主体的边界向外移动,从而保持完整体介质的体积。虽然这是优选的,但本发明也设想了通过包括球化反应的方法形成主体。 不过在球化的反应-扩散过程中将从边界向内传播,消耗主体介质并减少保留在组件中的完整主体介质的体积。

在一些实施例中,第一和第二主体都被分配到容纳松散介质的单个浴中。 以这种方式,组件在形成期间浸入浴中。由于浴液含有松散试剂的“储存器”,胶囊壳的结构和性质可以根据主体内主体试剂浓度和/或身体在浴中的停留时间以及浴中松散试剂的浓度来调整。因此,组件的特性容易适用于许多应用中的任何一种。

在一些实施方案中,每个主体试剂溶解在主体介质中。以这种方式,可以控制主体介质中的主体试剂的浓度,这将可以控制胶囊壳的形成速率和胶囊壳的性质,例如最大可能的厚度和壳的强度。在一些实施例中,每个主体被落入松散介质中。例如,在稍后的时间点,在与松散介质接触之前,主体可能形成并分配在松散介质外部。在一些实施例中,主体形成在松散介质上方的一段距离处,并且在重力的影响下落入松散介质中。在其他实施例中,主体以额外的速度喷射,例如在喷射过程(类似于喷墨处理)中。

主体可以在浴表面上方至少100微米的距离处分配,例如至少200微米,至少400微米,至少600微米,至少800微米或至少1mm的表面上方。以这种方式,主体将收集足够的动量以穿透浴表面。在某些情况下,需要额外的动量,例如对于直径约2至6毫米的主体,在单独的重力下的跌落,主体可以在浴的表面上方至少1厘米的距离处分配,例如至少2厘米,3厘米,4厘米或5厘米在表面以上。

主体可以在浴表面上方至多30cm的距离处分配,例如在表面上方至多25cm,20cm或15cm。在一些实施例中,主体在表面上方至多1cm的距离处被分配,例如至多8mm,6mm,4mm,2mm或1mm。以这种方式限制浴上方的高度,以减少气流对主体轨迹的影响,这对于非常小的液滴特别重要。

或者,主体可以直接通过在松散介质内的分配元件分配。在这样的实施例中,主体可能需要从分配元件中分离。例如,在分配元件的主体形成之后抬起元件,这样可以在元件到达表面时使得主体分离。或者,元件可以被振动以分离身体。元件可以是喷嘴。

在一些实施方案中,松散试剂和本体试剂中的一种具有比另一种更大的分子量。以这种方式,较小分子量的试剂将更容易扩散通过新生胶囊壳,并且可以控制壳生长的方向和速率。在优选的实施方案中,松散试剂具有比主体试剂更大的分子量。以这种方式,主体试剂的扩散比松散试剂的扩散快,并且当形成壳时,主体试剂将通过壳向外扩散,使得壳向外生长,促进相邻的壳整合。在优选的实施方案中,松散试剂的分子量基本上大于主体试剂的分子量,例如至少200倍,例如至少250、300、350或400倍。这里的“分子量”还包括必要的原子量。在一些实施方案中,松散试剂和主体试剂之一是聚合物。在根据本发明的方法期间,当形成胶囊壳时,聚合物提供所需的性质。在一些实施方案中,聚合物是或包含生物聚合物。生物聚合物是特别优选的,因为它们的生物相容性使组件能够用于包括人类消费品在内的应用。在一些实施方案中,生物聚合物是多聚糖。在一些实施方案中,多聚糖是藻酸盐。由于其有利的凝胶形成特性,海藻酸盐是特别优选的。在一些实施方案中,与藻酸盐的抗衡离子包含碱金属离子,例如钠离子。 海藻酸钠可以以至少0.1%w/v的浓度存在于溶液中,例如至少0.2%w/ v,至少0.3%w/v,至少0.4%w/v,至少0.5%w /v或至少0.6%w/v。海藻酸钠可以以至多5%w/v的浓度存在于溶液中,例如至多4%w/v或至多3%w/ v。在一些实施方案中,海藻酸钠可以以至多0.5%w/v,例如至多0.4%w/v或至多0.3w/v的浓度存在于溶液中。

在该范围内,藻酸盐与合适的阳离子反应后,在主体介质周围形成足够厚度和强度的藻酸盐壳。 此外,至多5%w/v的浓度确保了对于给定的浴温度和主体组成,这些主体更可能完全穿透表面。在较高的藻酸盐浓度下,可能需要增加浴温以抵消由相对较高的藻酸盐浓度引起的粘度增加。在一些实施方案中,松散试剂和主体试剂中的另一种用于聚合物的凝胶化。 换句话说,聚合物和另一种试剂之间的反应,形成胶囊壳的凝胶。

在一些实施方案中,提供多价金属阳离子用于聚合物的凝胶化。例如,三价阳离子通常比二价阳离子产生更强的壳。在一些实施方案中,多价金属阳离子是二价离子。在某些实施方案中,这是钙离子。

钙离子可以以至少5mM,例如至少10mM,至少15mM,至少20mM,至少25mM或至少30mM的浓度存在于溶液中。钙离子可以以至多250mM,例如至多180mM,至多140mM,至多90mM或至多50mM的浓度存在于溶液中。

在一些实施方案中,与钙离子的抗衡离子包括乳酸盐。如果组件的预期应用涉及人类消费,则乳酸钙是优选的。乳酸钙没有比其他钙盐如氯化钙那么苦。 为了在溶液中提供必需的钙离子浓度,乳酸钙可以以至少0.1%w/v,例如至少0.2%w/v,至少0.3%w/v,至少0.4%w/v,至少0.5%w/v或至少0.6%w/v的浓度存在于溶液中。乳酸钙可以以至多5%w/v,例如至多4%w/v,至多3%w/v,至多2%w/v或至多1% w/v的的浓度存在于溶液中。在上述范围内,形成在主体介质周围的钙-聚合物凝胶具有足够的厚度和强度,对于给定的液滴密度,当构造时组件更加自支撑并且具有更强的结构完整性。优选地,松散试剂为聚合物,并且主体试剂用于聚合物的凝胶化。

优选地,松散试剂为聚合物,并且主体试剂是多价阳离子,例如多价金属阳离子。以这种方式,试剂之间的反应需要通过中间阳离子使分离的聚合物链的离子交联,从而导致聚合物的凝胶化。

优选地,聚合物包含藻酸盐,另一种试剂包含钙离子。更优选地,聚合物包含藻酸钠溶液形式的藻酸盐,另一种试剂包含乳酸钙溶液形式的钙离子。

优选地,松散介质包含藻酸钠溶液,并且主体介质包含乳酸钙溶液。

或者,松散试剂和主体试剂中的一种选自瓜尔胶、壳聚糖、κ角叉菜胶、ι角叉菜胶、果胶酸、明胶、白蛋白、碳酸盐、硝酸铅、尿素或己烷-1,6-二胺。优选地,这是松散试剂。另一种松散试剂和主体试剂可以选自其他金属离子,例如锶、钡或钾、硼酸盐、磷酸盐、乙醇、阿拉伯树胶、黄原胶、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、甲醛、癸二酰二氯酸或己二酸。优选地,这是主体试剂。

在一些实施例中,两个主体包括不同的主体介质。 例如,两个主体可以各自包括不同的主体试剂。以这种方式,可以提供具有不同性质的构成体的组件,例如一些主体可以具有比其它主体更厚或更强的壳。例如,在松散介质包含藻酸盐溶液的情况下,作为主体试剂的主体包含Ba2+离子将被预期形成比包含Ca2+离子作为主体试剂的主体更坚固和更具化学耐久性的壳,参见Morch et al. 【Y. Morch, I. Donati, B. L. Strand and G. Skjak-Braek, "Ca2+, Ba2+, 和 Sr2+ 在藻酸盐微珠中的效应", 生物大分子, 2006, 第7卷 ,1471-1480页】”。这在需要组装时可能是有用的,组件中只有一些主体旨在在施加之后释放其内容物,以对应用的刺激进行反应,例如在药物递送应用中。此外,在相互作用时可能需要不同的主体介质,例如通过扩散通过胶囊壳的作用。

在一些实施方案中,反应产物(胶囊壳)能够支撑组装件结构。

在一些实施方案中,通过控制主体试剂的浓度来控制反应产物胶囊壳的强度。或者或另外,可以通过控制松散试剂的浓度来控制强度。还可以通过调节每个主体在浴中花费的持续时间来进一步控制强度。在较长时间内静置在包含松散试剂的浴中的主体将形成比静置较短时间的主体形成更长、更坚固的胶囊壳。

在一些实施例中,给定的主体在第二主体在其附件沉积之前搁置至多120秒,例如至多100秒,最多80秒,最多60秒或至多40秒。以这种方式,壳的整合更有可能是成功的,因为当两个壳的向外传播仍在进行中时,这些主体彼此相邻放置。此外,静止太久的物体可能相对于其他物体形成不希望的厚度的壳体,导致组件的最终结构的缺陷。

此外,反应扩散过程中的主体试剂和松散试剂的反应速度可以通过调节主体介质中的主体试剂和/或松散介质中的松散试剂中的体试剂的浓度来控制。因此,可以增加速率以减少整个组件的构建时间或减小以允许构造更大的组件。

每个主体保持在浴中的时间段可以通过例如,在下一个形成之前形成一个身体后引入延迟,来增加。

在一些实施例中,形成任何两个相邻主体的时间间隔至少为0.5秒,例如至少1秒,至少2秒,至少3秒,至少4秒或至少5秒。

先前的液滴在附近的侧卧位之后,液滴形成的太快,可能会在它们沉入浴中的过程中与之前的液滴相互作用,并且这种相互作用可能导致液滴沉积在与预期位置横向间隔开的位置,造成不利影响。这种不利影响可以通过调整沉积的初始位置来补偿,参见WO2014/087175。

然而,在一些实施例中,形成任何两个相邻主体的时间间隔至少为10ms,例如至少20ms,至少30ms,至少40ms或至少50ms。这样小的间隔可以通过如用于生产主体的喷墨印刷方法实现。

在一些实施例中,形成任何两个连续主体的时间间隔至多10秒,例如至多9秒、至多8秒、至多7秒或至多6秒。这确保施工时间尽可能短,这在构建大型组件时尤其重要。在一些实施例中,允许第一和第二胶囊壳在产生第一或第二胶囊壳时接触。

在一些实施方案中,步骤(iii)-(v)重复一次或多次。在某些实施方案中,步骤(iii)-(v)重复至少50次,以提供包含至少50个主体的组件。重复的最大数量没有特别限制,并且在一定程度上取决于所使用的装置。例如,喷墨打印方法可以允许在组件中形成数千或数百万个主体,即在单个组件的构造期间数千或数百万次重复步骤(iii)-(v)的操作。 在一些实施例中,步骤(iii)-(v)重复多达200次以提供包括多达200个主体的组件。在一些实施例中,组件由连续主体的受控制的沉积构成。在一些实施例中,该沉积是自动化的。

在一些实施例中,在分配元件处形成的主体是通过蠕动泵送形成的液滴。传感器可用于控制由一个或多个蠕动泵形成的液滴的数量。传感器可以是从以下传感器中选择:透射光学传感器,反射光学传感器,电传感器或声传感器。 优选地,使用透射光学传感器。蠕动泵可以提供体积非常小的液滴,并且也提供的液滴尺寸变化小。例如,液滴直径的变化可能小于500微米。

在替代实施例中,主体是由喷墨打印头形成的液滴,例如用于喷墨印刷的那些。喷墨打印技术的使用允许在短时间内产生大量体积非常小的液滴。

在替代实施例中,微流体技术可以用于产生主体。以这种方式,可以实现液滴的快速自动化生产,同时液滴具有精确控制的直径(例如在30μm至2mm的范围内)。

在一些实施方案中,通过蠕动泵送形成的液滴的体积小于2mL,例如小于1.5mL,小于1mL或小于0.5mL。由蠕动泵提供的这种小体积允许以更大的“分辨率”构建组件。换句话说,可以实现更大量的结构细节。 在一些实施方案中,通过蠕动泵送形成的液滴具有小于50μI,例如小于40μI,小于30μI,小于20μI,小于15μ1或小于10μI的体积。

在该方法的一些实施例中,在蠕动泵送期间,检测到液滴的下落并进行反向泵送以防止形成另外的液滴。以这种方式,确保一次只产生一个液滴,并且适当地控制每个液滴的位置和液滴之间的延迟。

在一些实施方案中,通过喷墨印刷形成的液滴具有至少1pL的体积,例如至少2pL,至少3pL,至少4pL或至少5pL。

在一些实施例中,第一方面的方法还包括在形成之后隔离组件的步骤。组件可以从浴中完整地移除。可以使用勺子,筛子或通过用工具刺穿组件来实现移除。 或者,当组件保持在适当位置时,松散介质可以从浴中排出。

在移除之后,组件可以浸入另外的介质中。以这种方式,可以减少或防止组件内的主体的内容物的蒸发。另外的介质可以是相同的或不同的水性介质或疏水介质。在一些实施方案中,另外的介质包括附加的主体试剂,其提供了一种使组件外部壳硬化的方式。

在一些实施例中,在构造之后残留在组件的外表面上的残余松散介质被移除,例如通过排水、芯吸、蒸发或渗透中的一种或多种。

在一些实施例中,制备的方法还包括在构造之后使组件脱水的步骤。以这种方式,在去除主体介质之后可以产生中空的脱水组件。因此,主体介质作为构建一个完成的干燥产品的临时手段。在一些实施例中,在干燥步骤期间组件的结构基本上保留。

在一些实施例中,组件在施工之后被涂覆。可以施加涂层以保持组件的几何形状,以降低组件的蒸发速率,用于装饰目的或用于组件的质地或口感的改变。 在一些生物技术应用中,例如组织工程,例如用聚乙二醇或聚L-赖氨酸涂覆组合物可能是有益的。

用于组件涂布的涂料可以选自聚乙二醇,聚-L-赖氨酸,糖,金箔,巧克力,虫胶,巴西棕榈蜡或硅橡胶中的一种或多种。本发明的第二个方面是一种用于生产包括多个一体化胶囊组件的方法,包括以下步骤: (i)沉积大量的包含松散试剂的松散介质以形成浴; (ii)将一个或多个每个包含主体试剂的主体沉积到所述浴中或其上,其中每个主体的表面的一部分在沉积后暴露在所述浴表面之上; (iii)在每个主体和松散介质之间的界面处发生反应,以在与松散介质接触的每个主体的周围形成部分胶囊壳;

(iv)沉积另外的松散介质,以将浴的深度增加到比每个主体的上表面低的水平,使得每个本体的表面部分保持暴露在浴的表面之上; (v)在每个主体和松散介质之间的界面处发生反应,以在与松散介质接触的每个主体的周围形成部分胶囊壳; (vi)重复步骤(ii)-(v)一定的次数,以形成组件;

(vii)用松散介质完全覆盖组件以形成包含一个或多个液滴介质的不间断区域的主体的封装组件。本发明的第三方面是一种用于生产包括多个集成胶囊的组件的方法,包括以下步骤: (i)提供松散介质的浴,所述松散介质包括松散试剂; (ii)连续搅拌浴; (iii)将多个主体沉积到所述浴中,每个主体包括主体介质,其中所述主体或主体介质包括主体试剂; (iv)使包含主体试剂和松散试剂的反应发生在每个主体和松散介质之间的界面处,以形成围绕每个主体的胶囊壳; (v)使多个主体朝浴的中心迁移并形成聚集体;

(vi)允许聚集体中相邻主体的胶囊壳整合,从而形成主体的组件。

优选地,在第三方面中使用的主体是球形液滴。

本文中在第一方面描述的所有可选特征同样适用于第二和第三方面。

本发明的第四方面是一种液滴组件,其包括具有第一胶囊壳,并封装主体的第一胶囊;以及具有第二胶囊壳,并封装主体的第二胶囊;其中所述第一和第二胶囊壳是一体的。

在一些实施方案中,每个壳是凝胶。

本发明的第五方面是用于生产主体组件的装置,该装置包括用于生产各个主体的分配元件。

一些实施例中,第五方面的装置适于将主体分配到预定的指定位置,从而产生预定设计的组件。

现在将参照以下非限制性的附图和实施例进一步描述本发明。鉴于这些,本发明的其他实施例将由本领域技术人员想出。

进一步的优势,选项和参数。

反应-扩散过程

反应-扩散系统是其中一种或多种化学物质能够彼此反应(自己或彼此)并且在空间中扩散的系统。在反向球化过程中,膜围绕主体,例如浸入松散介质中的液滴,积聚。以海藻酸钙体系为例,液滴中的第一钙与藻酸盐在浴的周围反应,液滴边界处产生藻酸钙凝胶薄壳。然后,液滴中的钙通过该壳扩散并进入浴中,立即与壳体周围的藻酸盐反应,从而使海藻酸钙壳体变厚。这种反应和扩散的组合定义了一个反应-扩散过程。壳的生长远离液滴传播而不会流入液滴,因为钙比藻酸盐更容易通过凝胶扩散。

相同的过程是“基本”或“直接”的球化反应的原因。然而,在直接球化中,壳生长传播到液滴中。本发明优选地涉及反向球化,其壳是向外扩展形成。这提供了相邻壳的整合,还保留了主体的内部容积,使物质保持完好。

主体介质和松散介质

在一些实施例中,松散介质包括食品。所述食品可以是水、果汁、蜂蜜、酸奶、酒精饮料、茶、咖啡、调味料、酱汁和汤中的一种或多种,酒精饮料例如葡萄酒,烈酒和啤酒。或者或另外,松散介质可以包含营养补充剂。这些可以选自维生素、矿物质、纤维、脂肪酸、氨基酸和多肽中的一种或多种。或者或另外,松散介质可以包括医药或生物技术产品。所述药物或生物技术产品可以选自药物、动物细胞、植物细胞、细菌和其他生物体中的一种或多种。或者或另外,松散介质可以包括化妆品。所述化妆品可以选自漱口水、牙膏、肥皂、面霜和香精中的一种或多种。或者或另外,松散介质可以包括植物提取物,例如水果、种子、叶、茎或蔬菜提取物。在一些实施方案中,主体介质不是水性介质,而是用水性介质包被。例如,主体介质可以是包裹有包含主体试剂的水溶液的油。以这种方式,增加了可能的主体介质的范围,以包括广泛范围的非水介质,例如烃类、脂质、疏水性药物产品、有机溶剂如乙醇和异丙醇、有机溶剂溶液、植物油和油包水乳液。以这种方式,主体介质也可以是固体。

当主体介质是非水性的时,在一些实施方案中,包含主体试剂的水性介质在形成后喷洒到主体介质上。或者,主体可以通过所涂覆的水溶液。在一些实施方案中,主体介质在形成时为液体,但在形成后和涂覆之前固化,以便于用水性介质涂覆。例如,主体可以在高于主体介质的熔化温度的温度下形成,并允许其在涂覆之前冷却到低于熔融温度的温度。冷却可能发生在主体形成之后朝着松散介质落下的过程中。

在一些实施方案中,主体介质和松散介质包含反应形成有机凝胶的化学体系。有机凝胶指液相是有机而不是含水的凝胶(参见Jha et al. 【有机凝胶:新的药物释放系统",当前药学研究杂志,2013,第11卷,第一号,6-15页】)。 因此,在一些实施方案中,松散介质是疏水性的,形成的胶囊壳是有机凝胶。在一些实施方案中,松散介质包括卵磷脂,并且主体介质包含水性或其它极性溶液,其导致卵磷脂有机凝胶在主体介质和松散介质的界面处形成。

在一些实施例中,主体介质是悬浮液。在一些实施方案中,松散介质是悬浮液。例如,主体介质和/或松散介质可以是乳液。水包油乳液是优选的,因为水性连续相的存在需要很少或不适应本文所述的技术。在一些实施方案中,乳液在组件产生之后分离。在一些实施例中,主体介质在主体形成之前被脱气。这可以通过例如将介质置于真空室或离心机中实现。脱气确保在组件形成之后介质中不会残留气体气泡,因为气泡的存在可能不利于组件的形成或组件的性能。然而,在一些实施方案中,气体存在于介质中是可取的。已经存在的气体可能在主体形成期间被保留,或者在主体沉积期间可能有意地将气体夹带在介质内。当主体落入松散介质中时,主体介质和松散介质中的一种或两种可以被改进以便于主体渗透松散介质。在一些实施方案中,主体介质的粘度会增加,例如通过增加主体介质中溶质的浓度、通过降低主体的温度或通过加入增稠剂如黄原胶、,糖或其它已知的试剂。或者或另外,松散介质的粘度可以减小,例如可以通过降低松散介质中的溶质浓度或通过增加松散介质的温度来实现。在后一种情况下,松散介质的温度可以与液滴产品的温度同步地主动控制。

个别溶液的粘度可以根据尤其是温度、聚合物(例如藻酸盐)的长度分布以及在该过程中施加到溶液的剪切速率而变化。本领域技术人员可以调节松散溶液、浴液或两者的粘度以达到必要的条件,这可以根据经验来评估。不需要测量绝对粘度。 然而,在Garcia-Ochoa等人中描述了黄原胶溶液的粘度的测量。【F. Garcia-Ochoa, V.E. Santos, J. A. Casas and E. Gomez, "黄原胶: 产品的恢复与性能",生物技术进展,2000,第18卷, 549-579页】和Zhong et al.【L. Zhong, M. Oostrom, M.J. Truex, V.R. Vermeul and J.E. Szecsody, "与剪切变薄液的处理有关的黄原胶溶液的流变学特性",危险材料杂志,2013,160-170页】。在Swindells等人的文章【J.F. Swindells, C.F. Snyder, R.C. Hardy and P.E. Golden, "不同温度下的蔗糖溶液粘度:重新计算值表格",国家标准局的补充440,1958年7月31日】中讨论了蔗糖溶液的粘度。

已知黄原胶的溶液是假塑性的;它们的粘度随着剪切速率的增加而降低。来自分配元件的主体的较高喷射速度将引起剪切速率的增加,从而降低黄原胶溶液的粘度。因此,在一些使用高喷射速度的实施例中(例如,当喷墨打印机头用作分配元件时)可能需要更高的浓度的黄原胶来抵消该作用,并保持所需的粘度。或者,可以使用剪切稀化特性不太显著的溶液。主体试剂和松散试剂之间的反应速率可能会影响主体穿透浴的能力。例如,对于高反应速率,当主体接触松散介质的表面时,胶囊壳在主体的下表面快速形成。这可能会阻止整个液滴穿透浴表面。在一些实施方案中,降低反应速率以避免这种情况。在一些实施方案中,主体介质包括钙离子溶液、增稠剂和增密剂,其中增稠剂可以是多糖,如黄原胶或羧甲基纤维素;增密剂可以是糖、多糖或甘油,糖可以是蔗糖或果糖,多糖可以是麦芽糖糊精或羧甲基纤维素。增密剂可以直接加入到钙溶液中,以形成主体介质。或者,可以将组分添加到含有增密剂的主体介质中,例如糖溶液,比如果汁或蜂蜜。果汁可以是天然的,也可以是合成的。优选地,主体介质包含增稠剂的浓度为至少0%w/v,例如至少0.1%w/v,至少0.2%w/v,至少0.3%w/v,至少0.4%w/v或至少0.5%w/v。在一些实施方案中,主体介质包含增稠剂浓度的至少为1%w/v。优选地,主体介质包含增稠剂的浓度至多5%w/v,例如至多4%w/v,至多3%w/v,至多2%w/v或至多1%w/v。

优选地,主体介质包含增密剂的浓度至少为0%w/v,例如至少0.1%w/v,至少0.2%w/v,至少0.3%w/v,至少0.4%w/v或至少0.5%w/v。在一些实施方案中,主体介质包含增密剂的浓度至少为5%w/v,例如至少10%w/v或至少15%w/v。优选地,主体介质包含增密剂的浓度至多50%w/v,例如至多40%w/v,至多30%w/v,至多20%w/v,至多15%w/v或至多10%w/v。所需增密剂的量将取决于浴的粘度和密度等因素,其可能依赖于浴温度。

在一些实施例中,主体介质还包括食品。所述食品可以是水、果汁、蜂蜜、酸奶,酒精饮料、茶、咖啡、调味料,酱汁和汤中的一种或多种,精饮料例如葡萄酒、烈酒、啤酒。或者或另外,主体介质还可以包含营养补充剂。这所述营养补充剂可以选自维生素、矿物质、纤维、脂肪酸、氨基酸和多肽中的一种或多种。或者或另外,主体介质还可以包括医药或生物技术产品。 所述医药或生物技术产品可以选自药物、动物细胞、植物细胞、细菌和其它生物体中的一种或多种。或者或另外,主体介质还可以包含化妆品。这些可以选自漱口水、牙膏、肥皂、面霜和香精中的一种或多种。或者或另外,主体介质还可以包含植物提取物,例如水果种子叶茎或蔬菜提取物。在一些实施例中,调节浴的温度以促进主体的穿透。浴温可以至少为1℃。以这种方式,可以确保浴液不会冻结。在一些实施方案中,浴温可以是至少20℃,例如至少21℃,至少22℃,至少23℃,至少24℃或至少25℃。以这种方式,相对较低的浴粘度是可能的。当需要更高的浴液粘度时,例如当主体较大或高密度时,浴温可以高达60℃,例如高达50℃,高达40℃,高达30℃,或高达25°C。在一些实施方案中,浴温可以高达100℃。以这种方式,可以容纳使用非常小的主体或含有非常粘稠的松散介质的浴。

可以调节温度以补偿松散介质和/或主体介质的其它性质变化。例如,当松散介质含有更高浓度的松散试剂(例如藻酸盐)时,可以相应地增加温度以补偿由高试剂浓度赋予的较大粘度。浴中主体的下沉速率也取决于浴的粘度,也与浴温有关。因此,可以通过增加浴温来增加物体的下沉速率。

在一些实施例中,可以调节主体介质和/或松散介质的表面张力以便于渗透。例如,主体介质的表面张力增加和/或松散介质的表面张力降低。表面张力的降低可以通过向松散介质中加入表面活性剂来实现。

在液滴周围形成两亲单层和双层组件结构的已知方法中,以这种方式添加表面活性剂将不被接受,因为它将使组件不稳定。因此,本方法通过针对以前方法的缺陷对组件的形成提出改进。

在替代实施例中,可能期望在主体形成和沉积之后,主体不完全穿透松散介质。例如,可能希望主体至少部分地保持在松散介质的表面上。

在一些实施方案中,主体试剂和松散试剂之间的反应程度受到限制,例如通过降低主体介质和松散介质中的一种或两种中的试剂的浓度。或者或另外,可以通过在主体介质和松散介质的一个或两者内提供限速化学物质来限制反应的程度,例如螯合剂。以这种方式,当介质中的一种含有诸如增密剂的辅助组分,或旨在为另一组分提供合适环境的试剂时,螯合剂螯合该辅助组分并防止其与其它组分的不需要的反应。例如,辅助组分可能对主体试剂和/或松散试剂具有一定的反应性,这将影响壳形成速率和壳厚度的可实现性。辅助组分的螯合将减少这些副反应的发生,同时保留辅助组分的预期功能。

在一些实施例中,工具用于在沉积之后在主体上施加力,以便于渗透到松散介质中。工具可以是生产主体的喷嘴的一部分。当在松散介质的浴之上形成液滴时,喷嘴可以朝浴的方向降低,以迫使主体进入浴中,然后再次升高到用于主体沉积的初始位置。在根据本发明第一方面的方法中,重要的是主体之间使壳整合在一起的结合速率是可控的,使得主体以足够的速度结合以高效和有效的方式构建所需的组件。发明人已经发现,下沉和壳形成的相对速率的控制对于符合要求的组件构建是重要的,可以确保沉积的液滴停在其预定位置,从而避免组件中的结构缺陷。当下沉速率相对于壳整合的速率太高时,当它们相遇时,主体不会结合在一起,但是可能会相互滚动到非预期的位置。相反,当壳整合的速度相对于下沉速率太高时,每个主体的壳在结合另一个主体之前变得过厚,或者主体与不同的非预期的主体结合,或者由于壳快速增长,主体下沉太慢。结果,下沉速度应该足够快以确保组件构建的效率,实际上是因为如上所述,控制壳形成速率使得相对速率令人满意。此外,本发明人已经发现,当形成两个连续主体之间的时间段太短时,下沉的主体可能与其在松散介质中沉积在从其预期位置上移除的位置的结果相互作用。这可能导致不完整的壳集成,主体采用不正确的位置,没有壳集成或完整的壳集成。因此,在一些实施例中,引入连续主体的沉积之间的延迟以克服该问题。

在一些实施例中,主体和/或松散介质适于使得主体下沉到松散介质中速度以高达5mm s -1的速度,例如高达4.5 mm s -1、4 mm s -1、3.5 mm s -1、3 mm s -1。以这种方式,下沉速度不够高会对液滴形状或位置有不利影响。

在一些实施例中,主体可以是中性浮力的,即具有零的下沉速率。这可能在组件包括突出结构时是重要的。在一些实施例中,下沉速率可以是至少0μm s-1,例如至少100μm s-1或至少200μm s-1s。较低的沉降速率可用于在组件构建过程中将松散溶液逐渐添加到浴中的过程中。

在这种下沉速率范围内,主体相互结合,更有效地形成组件,并且它们在浴中的布局更精确。可以通过改变主体的大小来控制下沉速率。众所周知,通过低雷诺数(通过粘性液体缓慢下沉)的液体,重力下的球体的自由沉降速度由下式给出:

其中v是球体的终点沉降速度,g是重力加速度,d是球体直径,rd是球体密度,rb是浴密度,m是浴的动态粘度。在本发明中壳的传播较慢,该公式将近似精确,因为对于快速的壳传播,球体直径将随着球体的下降而增加,这不由上述等式提供。

或者,可以修改主体介质的密度和/或松散介质的密度,以控制下沉速率。在后一种情况下,可以通过改变介质中化学物质的浓度来调整其中的任一种化学物的密度。所述物质可以是主体试剂或松散试剂。或者或另外,物质可以是糖或多聚糖,例如麦芽糖糊精。该物质可能是另一种溶质或可能处于悬浮状态。

在主体介质是高密度的实施例中(例如,当主体介质包含高浓度的糖时),可能需要相应地增加浴的密度以达到主体所需的下沉速率。因此,可以向浴溶液中加入增密剂。这可以是糖或多聚糖。为了控制下沉速率,还可以通过改变其温度来改变主体介质和/或松散介质的密度。

为了控制下沉速率,松散介质的粘度可以如上所述的一样的关于渗透而改变。

在一些实施例中,通过提供组件形成所需的最小级别的松散介质,可以使松散介质浴中的主体的下沉时间最小化。例如,在构建期间,松散介质的高度可以高于组件最上表面300mm。这将允许使用相对较大的主体来形成组件的过程。 在一些实施例中,松散介质的高度可以在构建期间在组件的最上表面上方高达30mm,例如高达25mm,20mm,15mm或10mm。该水平可以是至少100μm,例如至少500μm或至少1mm。对于较大的液滴,可以使用至少5毫米的水平。

在组件构建期间,通过在构建期间将松散介质添加到浴中,可以维持松散介质在合适的水平。

或者,通过向介质中添加主体的松散介质的简单替换可以足以提供足够的松散介质。根据本发明的第二方面,一种用于制造组件的方法包括以下步骤:(ⅰ)沉积大量的包含松散试剂的松散介质以形成浴;(ii)将一个或多个每个包含主体试剂的主体沉积到所述浴中或其上,其中每个主体的表面的一部分在沉积后暴露在所述浴表面之上;(iii)允许在每个主体和松散介质之间的界面处发生反应,以在与松散介质接触的每个主体的周围形成部分胶囊壳;

(iv)沉积另外的松散介质,以将浴的深度增加到比每个主体的上表面低的水平,使得每个主体的表面部分保持暴露在浴的表面之上;(v)允许在每个主体和松散介质之间的界面处发生反应,以在与松散介质接触的每个主体的周围形成部分胶囊壳;(vi)重复步骤(ii)-(v)一定的次数,以形成组件;

(vii)用松散介质完全覆盖组件以形成包含一个或多个液滴介质的不间断区域的主体的封装组件。这里,“不间断”意味着组件会因为组件中的每个主体的整个表面在沉积之后暴露于松散介质而在各个主体之间至少缺少一些内部分隔。

在一些实施例中,主体沉淀使得主体的一部分与先前沉积的主体的暴露部分接触。以这种方式,来自多个沉积的液滴的液滴介质的区域被保存,最终成为组件内的单个同类区域,即没有分离各个液滴的内部胶囊壳。因此,在一些实施例中,该方法允许由单个液滴构成包含同类介质的预定形状和尺寸的大胶囊。例如,柱状体可以通过彼此顶部上的液滴的垂直堆叠来构造。 因此,组件可以由液滴介质的单个不间断区域组成。

可以使用该方法构造一系列组件形状。

在一些实施例中,主体介质适于使得主体不穿透浴而漂浮在其表面上。因此,在步骤(ii)中,第一主体可以沉积在浴上,并且在步骤(iii)中,部分壳体将在主体的基部形成,位于浴表面上。 然后可以使用步骤(iv)来增加主体周围的松散介质的水平。在一些实施例中,主体沉入浴中,但浴的深度适于确保在步骤(ii)中,沉积后主体表面的一部分保持暴露在浴的表面上。例如,浴的深度将被设定为小于主体的直径。在一些实施例中,主体接近中性浮力,并且部分地或小范围地渗透到浴中。在一些实施例中,至少一个主体是由多个单独分配的主体的聚结形成的连续主体。例如,在步骤(ii)期间,初始主体可以分配到浴表面上,随后是相邻位置的另一个主体。两个主体会聚结(因为它们不是完全被胶囊包围)以形成连续的第一主体。然后将执行该方法的步骤(iii)和(iv)。随后,步骤(ii)的主体也可以是由多个单独分配的主体的聚结形成的连续体。在一些实施例中,在步骤(iv)中沉积额外体积的松散介质,使得在先前步骤(ii)中沉积的主体完全被松散介质包围。以这种方式,在上一步骤(ii)中沉积的主体获取覆盖其上表面的胶囊壳,从而将它们在随后的步骤(ii)中与在其后面沉积的主体分离。

本文中关于根据第一方面的方法描述的任何优选选项可以均等地应用于根据第二方面的方法。

根据本发明的第三方面,一种用于制造包括多个集成胶囊的组件的方法包括以下步骤: (i)提供松散介质的浴,所述松散介质包括松散试剂; (ii)连续搅拌浴; (iii)将多个主体沉积到所述浴中,每个主体包括主体介质,其中所述主体或主体介质包括主体试剂; (iv)使包含主体试剂和松散试剂的反应发生在每个主体和松散介质之间的界面处,以形成围绕每个主体的胶囊壳; (v)使多个主体向浴的中心迁移并形成聚集体;

(vi)把聚集体中的相邻主体的胶囊壳整合,从而形成主体的组件。

以这种方式,使用非常简单,低成本的装置可以非常快速地形成随机定位的液滴的组件。浴可以通过任何合适的搅拌装置搅拌,例如通过连续旋转浴所在的容器。液滴可以通过位于浴上方的固定喷嘴沉积,或者在旋转轴线上或远离旋转轴线。沉积后,由于“茶叶悖论”,液滴将迁移到浴的中心,根据这一点,如果物体比液体更致密,则容器中搅拌液体中的游离体将迁移到容器的底部中心。

可以使用该方法构造任何尺寸的组件,并且相对于本文所述的受控沉积工艺减少构建时间。在组件构建的速度比控制组件几何更重要的应用中,这种方法提供了显着的优点。

本文中关于根据第一方面的方法描述的任何优选选项可以等同地应用于根据第三方面的方法。

组件

在一些实施例中,通过在从浴中移除之前,在组件完成之后引入延迟,控制完成的组件的外表面的厚度。以这种方式,胶囊壳的不同厚度可以(a)围绕组件的每个内部主体提供,并且(b)围绕组件的每个外部主体提供,即围绕整个组件的周边。

在一些实施例中,在完成组件的构造之后,将组件留在松散介质浴中至少0秒,例如至少5秒、至少10秒、至少15秒、至少20秒、至少25秒或至少30秒。这确保围绕整个组件形成足够厚度的周边胶囊以支撑结构。

在一些实施例中,在完成组件的构造之后,将组件留在本体介质浴中长达24小时。较长的停留时间提供了较厚的膜,其在需要组件的额外保护或需要更大的扩散屏障的情况下可能是有用的。在其它实施方案中,将组件置于松散介质浴中最多10分钟,例如最多9分钟、最多8分钟、最多7分钟、最多6分钟,最多5分钟或最多4分钟。以这种方式,胶囊壳不会变得太厚,以至于在某些应用中限制了组件的有用性,例如在需要外部易溶解或破裂的情况下。

在一些实施例中,围绕组件内的每个主体的胶囊壳体的厚度为至少20微米。 这提供了足够厚度的壳体以支撑组件中的主体的内容物。较薄的膜在需要精细的“高分辨率”组件时非常有用,结合了非常小的主体。其他实施例中,组件内围绕每个主体的胶囊壳的厚度为至少1mm,例如至少2mm,至少3mm或至少 4mm。 在一些实施例中,组件内围绕每个主体的胶囊壳的厚度高达5mm,例如高达4.5mm,高达4mm,高达3.5mm或高达3mm。在一些实施例中,胶囊壳完全封装主体介质。在一些实施例中,组件中的每个主体被胶囊壳完全包封。

在一些实施例中,主体是直径至少为20微米的基本上球形的液滴,例如至少30微米,40微米或50微米。这种小直径的液滴可以通过例如,喷墨打印方法使用喷墨打印头来产生液滴。在一些实施例中,主体是直径至少为2mm,例如至少2.5mm或3mm直径的基本上为球形的液滴。以这种方式,使用较少的较大的主体,可以更快速地构造出给定尺寸的主体的结构。液滴的直径可以达到6mm,例如高达5.5mm,5mm,4.5mm,4mm,3.5mm或3mm的直径。以这种方式,胶囊壳的强度高,液滴可以保持其结构完整性。

如果液滴太小,对于给定的喷射速度和相对粘度(即主体介质相对于松散介质的粘度),松散介质浴的表面将不会被适当地渗透。此外,如果液滴太大,对于给定的喷射速度和相对粘度,液滴更可能变成非球面。这在需要球形液滴的应用中可能是不期望的,但在其它情况下可能是期望的。

在一些实施例中,主体是球形或基本上球形的液滴。在其他实施例中,主体具有不同的形状,例如锥形,例如“泪珠”形状。这是由于存在结构上刚性的胶囊壳,一旦形成就保持主体的形状。以前使用两亲分子在液滴周围形成单层膜的方法不可能以这种方式裁剪液滴形状。

可以通过改变一个或多个主体体积、主体的排出速度、主体相对于松散介质浴的排出方向、主体的密度、浴的密度、浴的表面张力或浴的粘度来调整主体的形状。在一些实施例中,组件内的主体的取向通过主体进入松散介质浴的速度和方向来确定。

当主体进入松散介质的浴时,主体的速度方向可以由主体的排出速度决定。例如可以在排出主体之后控制喷射速度。这可能是通过静电机制。

在一些实施例中,组件具有一维几何形状。换句话说,一排两个或更多个液滴可以组成组件。或者,组件可以具有二维几何形状,其中组件由单个平面内的多个液滴组成。在一些实施例中,组件具有三维几何形状,例如包括堆叠在一起的多个主体平面。

在一些实施例中,通过依次地形成水平层来构建组件。在一些实施例中,每个水平层包括两个或更多个区域,每个区域包括多个主体。第一区域中的主体包括与第二区域中的主体的主体介质不同并且对其有反应性的主体介质。在一些实施例中,组件中的主体形成规则阵列。阵列可以是晶格结构。在一些实施例中,第一区域中的主体在尺寸、形状和组件结构中选择一个或多个属性不同。例如,第一区域中的主体可以第一图案排列,并且第二区域中的主体可以以第二图案排列,第一图案和第二图案不同。

在一些实施例中,组件的某区域可以包括具有紧密堆叠的晶格结构的液滴 。例如,该区域可以包括六边形或立方密堆积的液滴。以这种方式,组件中的主体介质的体积相对于松散介质的体积可以最大化。当组件是用于人类消费时可以改善口感,因为组件中液体的比例将更大。紧密堆叠还将使相邻的主体之间的间隔最小化,以促进物质在主体之间的迁移,这在例如某些组织工程的应用中是必需的。

本领域技术人员认为,以紧密堆积排列的球体占据的空间最大可能部分是,即74.048%。组件的剩余体积将被已经传播到球体间区域的剩余松散介质和胶囊壳材料占据。

在其他实施例中,可以在组件的一个区域中使用非紧密堆积的液滴排布,例如到组件的某区域可以应用简单的立方晶格堆积。在一些实施例中,组件包括多种类型的主体,例如多种类型的液滴。每种类型的液滴可以包含不同的介质,不同的尺寸和/或是不同的形状。在一些实施例中,组件内的液滴大小不同,允许组件的“分辨率”在组件内变化。例如,组件的外围区域可以包括较小尺寸的主体,以允许在外表面的几何形状中实现更高水平的细节。

在一些替代实施例中,组件构建的效率比对组件的尺寸或结构的控制更重要,生产方法可以生产具有直径变化不受控制的主体。

在一些实施例中,组件被构建在物体的表面上。因此可以通过添加液滴组件来增加对象。例如,物体可以是构成组件的水果。组件可以改善水果的整体形状、颜色、风味和/或质地等特性。

在一些实施例中,组件包括包含第一主体介质的第一主体,其中第一主体介质包括第一化学物质,并且该组件还包括包含第二主体介质的第二主体,其中第二主体介质包括第二化学物质。第一和第二化学物质可以相互反应。第一和第二化学物质可以通过扩散介入胶囊壳而发生反应。或者或另外,当胶囊壳被破坏时它们通过例如物理破裂进行混合,第一和第二化学物质可以反应。

第一和第二化学物质之间的反应可以产生理想的输出产品。例如,它可以产生一种或多种光、颜色变化、温度变化、pH变化、风味变化、气味变化、可溶性反应产物、沉淀物或气体。在一些实施例中,组件中的一个或多个主体响应于一个或多个外部刺激。或者或另外,胶囊壳可以响应于一个或多个外部刺激。Yoshida 等的[R. Yoshida and T. Okano,“刺激反应水凝胶及其在功能材料中的应用”,水凝胶的生物医药应用指南,2010,19-43页] and Garg等的 [T. Garg, S. Singh and A. K. Goyal,“刺激敏感水凝胶:药物和细胞传递的优异载体“,治疗药物载体系统的关键评论™,2013,第30卷, 369-409页] 描述了可用于这种胶囊壳刺激响应性的水凝胶。

刺激可以来自机械刺激、温度变化、照明水平变化、电场或磁场的应用、一种或多种特定化学物质的存在或pH变化中的一种或多种。主体可以通过例如改变形状(通常是对于刺激响应性凝胶)产生光,颜色变化、改变温度、改变pH、改变味道、改变气味来产生沉淀或产生气体,来对刺激作出响应。

在一些实施例中,通过存在温度敏感染料来实现组件中一个或多个主体的颜色变化。在其它实施方案中,颜色变化通过在松散介质中的悬浮液中颗粒的受控聚集和解聚来实现,其中通过光、pH、特定化学品或电场或磁场实现对照。

在一些实施例中,主体介质在形成液滴或组件之后会凝固。这可以通过例如使用温度高于初始液滴形成时熔点温度的液滴介质来实现,并且在该方法中提供低于该熔点的环境温度。低于熔点的环境温度可以仅在最终组件完成时提供,以便于在施工期间,主体试剂通过壳体使的必需扩散过程。以这种方式,可以产生完全固体的液滴组件。或者,可以选择液滴介质,使得其在环境温度下保持液体。在一些实施例中,第一和第二主体基本相同。例如,主体可以在主体形成装置的公差内具有相同的尺寸,并且主体可以具有相同的组成。这将生产出同类的组件。在一些实施例中,组件可以在构造之后经受形状改变。这可以是自发的,例如由于液体从组件的一个区域到另一个区域质量传递。质量传递可能由因区域之间渗透剂的浓度不同产生的渗透压引起。胶囊壳对渗透剂不渗透,但对主体介质的溶剂可渗透。渗透剂可以是白蛋白。或者,形状变化可以为了响应刺激。

在一些实施方案中,松散介质包含食品,其可以如上述定义。 在一些实施例中,第四方面的组件包括另外的胶囊,其中每个胶囊具有胶囊

壳并封装主体,并且胶囊壳与另一个胶囊的至少一个胶囊壳结合,并且每个另外的胶囊的壳是凝胶。

在一些实施例中,组件中的每个胶囊的直径为至少20微米,例如至少30微米、40微米或50微米。这样的小直径胶囊可以通过例如喷墨打印方法使用喷墨打印头来产生液滴。在一些实施例中,胶囊的直径至少为2mm,例如至少2.5mm或3mm。以这种方式,使用较少的较大的主体,可以更快速地构造出给定尺寸的物体的结构。

胶囊的直径可以达到10毫米,例如直径可达9毫米、8毫米、7毫米、6毫米或5毫米。以这种方式,胶囊在组件内保持其结构完整性。在一些实施例中,组件包括至少3个主体,例如至少4个、5个、6个、8个、9个或10个主体。在一些实施例中,组件包括至少15个主体,例如至少20、25、30、35、40、45或50个主体。组件中最多的主体数量没有特别的限制。在使用诸如喷墨印刷的技术来制造组件的实施例中,组件可以包括数千或数百万个液滴。在一些实施例中,组件包括多达1000个主体,例如多达900、800、700、600、500、300、300或200个主体。

应当理解,组件中的主体的数量的上限取决于各种因素。例如,对于组件中存在的给定尺寸的水平层,在组件不再能够支撑其自身重量之前,在组件中的堆叠水平层的总可能数量将受到限制。在这方面,主体和松散介质的密度,胶囊壳的强度和组装结构也具有影响。此外,时间限制意味着组件中的主体的总数是有限的,特别是当仅使用一个分配元件作为装置的一部分来生产组件时。例如,当使用单个分配元件,其每3秒产生一个主体时,50个主体的组件将需要150秒或2.5分钟来产生。为了在更短的时间内生产更大的组件,可以采用包括多个分配元件的装置。在一些实施例中,组件被涂覆。

在一些实施例中,组件是可食用的。在一些实施方案中,组合物包含食品,其可以如上所定义。在一些实施方案中,组合物包含一种或多种发酵剂。以这种方式,在组件构建之后发生发酵以在组体内产生发酵产物。 该产品可以是碳酸化的产品,例如啤酒。

在一些实施方案中,组件适于模拟水果的形状,大小,颜色,质地,风味或香气中的一种或多种。

在一些实施方案中,组件适于模拟特定水果的形状,大小,颜色,质地,风味或香气中的一种或多种,​​并且该组件包含该水果的天然或合成汁。以这种方式,生产的产物在外观和风味方面都与天然水果非常接近的。果汁可以是组件内的至少一个主体的主要部件。在替代实施例中,该组件适于模拟特定水果的形状,尺寸,颜色,质地,风味或香气中的一种或多种,并且该组件包含不同水果的天然或合成汁。在一些实施例中,主体还包括可以如上所定义的食品。

在一些实施方案中,组件适于用作化妆品。这可能是漱口水,牙膏,肥皂或护肤霜。在一些实施例中,根据数据选择组件的属性。数据可以包括消费者的个人偏好,医疗数据,天气数据和/或社交媒体数据。在一些实施例中,该组件适用于生物技术领域。例如,胶囊或周围材料可以包含用于植物或动物组织生长的植物或动物细胞。在一些实施方案中,胶囊或周围材料包括细菌,植物或动物细胞,并且该组件可以用作实验方法的平台,例如药物测试或用于组织工程目的,例如用于组织生长的支架,空间填充支架,用于药物递送的支架,用于细胞递送的支架或作为伤口敷料,或作为用于外科训练或规划的组织模拟物。

分配装置

在该方法的一些实施例中,主体由至少一个分配元件形成。分配元件可以位于松散介质上方。分配元件可以包括一个或多个喷嘴。分配元件可以包括喷墨打印头。在一些实施例中,主体通过喷雾、喷墨打印机、微流体系统或静电发生器形成。

在一些实施例中,主体仅在重力的影响下从分配元件落下。在其他实施例中,主体以有限的速度从分配元件喷出。在一些实施例中,主体由多个分配元件形成。在一些实施例中,只有一个分配元件在任何一个时间产生主体。在其它实施例中,主体同时由多个分配元件制造。使用多个分配元件同时形成主体,增加了组件构建速度。

在一些实施例中,第二分配元件适于产生具有与由第一分配元件产生主体不同性质的主体。例如,第二分配元件可以产生包括不同大小,不同形状,不同喷射速度或不同温度的不同主体介质的主体。以这种方式,可以有效地产生非同类结构的组件。在一些实施例中,分配元件可相对于松散介质的浴移动。以这种方式,主体被分配在浴中的特定位置。分配元件可以使用例如平移台来移动分配元件和/或浴。这可以是极坐标或笛卡尔平移平台,或任何其它平移机构,例如六轴或SCARA机器人。液滴沉积的顺序可以依据例如光栅扫描图案,喷丝图案,交替棋盘图案或另一图案。在一些实施例中,分配元件的运动、浴的移动和/或主体在分配元件处的产生全由微控制器控制。

微控制器可以适用于在打印过程之前或期间从本地或远程计算机接收命令,以构建根据软件定义的预定结构的组合。或者,可以根据来自用户的实时输入接收命令。在一些实施例中,分配元件和浴相对于彼此是固定的,并且使用位于这些特定位置上方的多个分配元件,将主体分配到特定位置。或者,可以存在单个静电分配元件和用于将每个液滴引导到期望位置的装置。根据第一方面方法的上下文中描述的各种实施例,同样适用于第四方面的组装。根据第一方面方法的上下文中描述的装置的各种实施例,同样适用于第五方面的装置。附加装置 平移平台 如上所述,分配元件可以使用SCARA机器人实现相对于浴的移动。SCARA机器人可以具有两个接头的铰接臂,所述臂可在基本水平的平面中围绕接头旋转。 关于接头的每个臂的运动可以由合适的电动机,例如伺服电动机的来执行。在一些实施例中,可以使用东布机器人HerkuleX DRS-0101伺服电动机。或者,可以使用定制的伺服机构,例如包括具有旋转编码器的DC电动机,这将实现较低成本。

SCARA机器人的使用使广泛的区域被分配元件覆盖,并且SCARA机器人更容易实现与简单笛卡尔平移平台不同的工作区域的几何形状。此外,通过使用SCARA机器人,该设备的整体设计更紧凑,占地面积更小。 与笛卡尔平移平台相比,使用的部件更少,组装更容易,成本更低和重量更轻。 而SCARA只需要两个电机,两个支架和一个安装点;笛卡尔平移台需要两个电机,两个导螺杆,两个导螺母,四个导杆,四个直线轴承和两个端部支撑轴承。此外,SCARA只能从一个提高组装过程可见性的方面得到支持,这对于正确监控过程至关重要。

分配元件

如上所述,分配元件可以包括将液滴从储存器输送到分配喷嘴的蠕动泵。

或者,优选的分配元件可以包括与保持室流体连通的空气泵,其在使用中包含液滴介质的储存器。储存器还与分配元件流体连通,分配元件可以是喷嘴。

在使用中,装置中有容纳在腔室内的大量的液滴介质,并且可以提供空

气泵的致动以增加腔室内空气的压力,从而对储存器加压并迫使一定数量的液滴介质离开喷嘴形成液滴。

该装置还可以包括光学传感器,以检测来自喷嘴的液滴的喷射,以便实现对

分配的液滴的数量和频率的控制。

优选地,空气泵是隔膜泵。例如,可以使用克拉克溶液KPM-12A泵。

更优选地,可以使用诸如质地较轻的村田压电微型鼓风机MZB1001T02。此外,微型鼓风机在小增量下更容易驱动,可以较好的控制液滴体积。相比之下,隔膜泵可以安装在别处并通过适当的管道连接到分配元件。

在优选实施例中,分配元件是包括阀的喷嘴。该阀可以在静水压力下减少或

防止来自喷嘴的液体被动滴落。例如,可以使用鸭嘴阀或横切阀。或者或另外,可以通过减小储存器的垂直高度和/或增加储存器的横向宽度,来减小喷嘴处的静水压力。防止被动滴水对于低粘度液体或较大孔径喷嘴可能更为重要。

在一些实施例中,空气泵连接到多个分配元件,每个分配元件包括用于保持

液滴介质的储存器的腔室和用于喷射液滴的喷嘴。空气泵可以通过单独的管道连接到每个元件。在一些实施例中,每个管线包括独立可控的阀,以提供各个管的选择性密封。在一些实施例中,阀是电磁阀。以这种方式,该装置适于仅使用一个空气泵来驱动多个分配元件,这样的方

式更有效,成本更低并且更简洁。

空气泵设置更容易清洁设备,因为只有储存器和喷嘴需要清洁。或者,储存器和/或喷嘴可以是一次性的,从而不需要完全清洁。

空气泵设置不需要启动,没有净容积。可以使用更短和更宽的喷嘴,其增加

液体的流速,从而允许实现更快的组件构建。 浴加热系统本发明的另一方面是用于容纳松散介质的装置,该装置用于给松散介质加热,该装置包括:限定基部和侧壁的导热容器,其中所述侧壁的内表面相对于所述基部成钝角地布置,具有大于90°的角度;

与所述侧壁的外表面接触的加热元件;以及适于放置在容器内的浴,所述浴具有几何形状与所述导热容器的内表面对应的外表面。

该装置包括一个两件式的布置,其中该浴适合贴合在导热容器内。假定容器的侧壁是钝的,则在浴和容器之间存在紧密接触,并且当浴含有松散介质时,该接触增加。这允许从浴中的加热元件到松散介质的热传递速率最大化。在一些实施例中,用于容纳松散介质的装置是液滴组件形成装置的一部分。

对“导热”的引用是对诸如金属之类的良好导热体的容器材料的引用。

在一些实施例中,容器和浴是倒立的圆锥形(截头圆锥状)结构。以这种方

式,容器和浴的侧壁是连续的,容器和浴的底部是圆形的。

在一些实施例中,加热元件是可以通过电流的电阻丝。电阻丝可以缠绕在容

器侧壁的外表面上。电阻丝优选地覆盖侧壁的一部分,优选地覆盖大部分的侧壁的外表面。可以替代地或另外,电阻丝可以覆盖容器底部外表面的一部分。

在一些实施例中,装置还包括限定容器放置在空腔中的基座单元。优选地,

腔体几何形状与容器的侧壁的外表面的几何形状相匹配。

在替代实施例中,浴中的松散介质可以通过感应加热或辐射加热来加热。

在一些实施例中,松散介质的温度可以通过温度传感器的反馈来控制。在一些实施例中,这可以是诸如热电偶或热敏电阻的接触温度传感器。或者,可以使用诸如红外传感器的非接触传感器。优选地,安装红外传感器,使得整个视场被浴中的松散介质的暴露表面所占据。非接触式传感器具有在组件构建期间不需要清洁传感器的优点。

以这种方式,松散介质的温度可以无限期保持在最佳温度下。

分配过程

在根据第一或第二方面的方法的一些实施例中,通过以下步骤执行主体的排出: (a)在第一位置从所述分配元件弹出第一主体; (b)将分配元件移动到第二位置并同时泵送形成第二液滴的主体介质; (c)视情况选择时间延迟,以允许第一主体安置; (d)在第二位置弹出第二主体。然后可选地重复步骤(b)-(d),以构建组件。优选地,主体是液滴,并且主体介质是液滴介质。在第一和第二位置彼此相对接近的情况下,例如彼此的距离在1-5个液滴直径之间,可选步骤(c)是必需的。 然而,在第一和第二位置比这更远的情况下,步骤(c)可能不是必需的,因为液滴不会干扰彼此之间的轨迹。第二个液滴只能在到达第二个位置的时间或之后喷射,以确保将液滴精确地分配到正确的位置。为了促进这一点,泵送速率可以是可调节的,即泵送步骤的致动和液滴喷射之间的时间可调。 又或者,可以调节分配元件的移动速度。 泵送时间长于移动时间是可以接受的,这将引起在液滴喷射之前到达第二位置之后出现短暂的延迟。然而,泵送时间不能比运动时间短,因为这将导致液滴在分配元件达到其适当位置之前喷出。

优选地,选择泵送时间和重定位时间,使得当分配元件到达第二位置时精确地分配液滴。

这种方式,组件构建过程效率更高。

多个组件的形成

在一些实施例中,在相同松散介质中依次或同时地构建多个组件。通过沉积相对较远的主体,这些主体对先前沉积的主体的位置具有可忽略的影响。在一些实施例中,根据本发明的多组件形成方法包括以下步骤: (a)将第一组件的至少一个第一主体,从第一位置处的分配元件沉积到松散介质中; (b)将分配元件移动到第二位置; (c)将第二组件的至少一个第一主体沉积到所述松散介质中; (d)将分配元件移动到第三位置; (e)将第一组件的至少一个第二主体沉积到松散介质中;

(f)将分配元件移动到第四位置; (g)将第二组件的至少一个第二主体沉积到松散介质中。优选地,主体是液滴。第一和第三位置以及第二和第四位置分别适合于形成第一和第二组件。然后可以将步骤(d)-(g)重复一定的次数,以在每个组件中沉积第三,第四,第五...第n个主体直到两个组件完成。

应当理解,该方法不限于同时形成两个组件,而是可以应用于在同一松散介质中同时形成两个,三个,四个或更多个组件。

在上述方法中,参考第一组件的第一主体的沉积,随后是用于第二组 件的第一主体。方法也包括第一组件沉积多个第一主体的方法,随后是用于第二组件的多个第一主体。 已完成组件的分离方法 本发明的另一方面是一种从松散介质中分离组件的方法,包括:提供浴,其包括跨过所述浴的至少一部分延伸的穿孔平台;将松散介质添加到浴中至覆盖穿孔平台的水平面;如上所述,在穿孔平台上构建组件;并且从松散介质提升穿孔平台,从而将组件与松散介质分离开。优选地,组件是液滴组件。因此,遵循如本文所述制备液滴组件的方法可以包括在穿孔平台上制备组件的步骤。在一些实施例中,穿孔平台是平面筛子。当在组件构建完成后升高平台时,松散介质通过穿孔,使得松散介质保留在浴中,并且组件从松散介质中移除。本发明的另一方面是一种从松散介质中分离组件的方法,包括:提供包括第一隔室和第二隔室的浴;将松散介质添加到第一隔室;

如本文所述在第一隔室内建立组件;以及将至少部分的松散介质从第一隔室转移到第二隔室中,从而将该组件与松散介质隔离。

优选地,组件是液滴组件。因此,遵循如本文所述制备液滴组件的方法可以包括在穿孔平台上制备组件的步骤。以这种方式,松散介质部分地或完全从第一隔室移除,但是组件保持在第一隔室中,不再被松散介质覆盖。这省去了使用者与浴的相互作用的过程,从而降低松散介质被污染的风险。 简化了过程。

例如,第一和第二隔室是流体连通的,并且浴包括用于将松散介质从第一隔室传送到第二隔室的装置。 保存组件的方法 在一些实施例中,将成品组件冷却并以对比温度的方式储存保持其属性。例如,组件可以被冷藏或冷冻。例如,可以将组件冷却至4℃以下,0℃以下或-20℃以下。在更优选的实施例中,成品组件经受速冻。这可以使用干冰,液氮或包含与另一种液体混合的干冰或液氮的冷却浴来实现。所述液体可以是乙醇。

以这种方式,冷冻是快速的,并且来自组件的液体损失减少,解冻之后保持初始结构。此外,慢速冷冻可能导致大的冰晶生长,这可能会损伤液滴周围的膜,从而导致相邻液滴的不符合要求或组件外壁的破裂。

附图说明

下面参照附图描述本发明的实施例,其中:

图1示出了用于根据本发明实施例的方法的装置的示意图;

图2示出了根据本发明实施例的组件的示意图;

图3示出了根据本发明第二方面的实施例的方法的示意图;

图4示出了根据本发明第二方面的实施例的方法的示意图;

图5示出了根据本发明第三方面的实施例的方法的示意图;

图6示出了用于根据本发明的实施例的方法中的分配装置的照片,包括分配

元件和用于控制物体沉积位置的笛卡尔平移台;

图7显示了两种不同浴组合物的浴渗透率与浴温度的关系曲线;

图8示出了通过根据本发明的实施例的方法形成的二维组件的照片;

图9示出了根据本发明的实施例的在其生产方法期间的多个阶段的三维组件的照片;

图10示出了通过根据本发明的实施例的方法产生的三维组件的照片;

图11示出了通过根据本发明的实施例的方法制造的三维组件的照片;

图12显示了一系列照片,显示通过松散溶液的液滴的下降;

图13显示了一系列照片,显示通过松散溶液的液滴的下降;

图14显示了一系列照片,显示通过松散溶液的液滴的下降;

图15示出了一系列照片,其显示了通过松散溶液的液滴的下降及其随后与

第二液滴的相互作用;

图16示出了通过根据本发明的实施例的方法描绘液滴的三维组件的生产的一系列照片;

图17以示出了SCARA机器人的(a)透视图,(b)侧视图,(c)在第一联合配置的平面图,(d)在第二联合配置的平面图,(e)第三联合配置的平面图;

图17(f)-(j)显示了SCARA机械装置不同变化的可进入区域;

图18示出了根据本发明的一个实施例的分配系统的纵向截面图;

图19示出了根据本发明的一个实施例的加热装置;

图20示出了根据本发明的一个实施例的浴的示意图;

详细说明

已知直接发泡和反向球化方法可用于单一包封液滴的生产。在这两种技术中,液滴内的试剂与液滴分配到介质内的试剂自发的反应形成膜,通常为海藻酸钙。在球化过程中,液滴含有藻酸盐溶液,浴中含有钙溶液。在反向球化过程中,液滴含有钙溶液,浴中含有藻酸盐溶液。在这两种方法中,形成膜之后,液滴可以从浴中完整地除去。US 2013/0251862 A1描述了用于生产单液滴的自动化反向球化方法。

图1示出了根据本发明第五方面的实施例的装置,其适用于根据本发明第一方面的实施方法。图1显示了液滴形成过程的三个部分,(a),(b)和(c),对应于液滴形成的单个流程。在(a)中是液滴形成之前的装置。在(b)中是液滴刚刚形成之后的装置。在(c)中,在液滴沉积之后的装置。装置1包括分配元件10,例如喷嘴,其位于包含松散介质的液体浴12的表面上方。分配元件10连接到蠕动泵(未示出),将离散的液体部分输送到喷嘴。 可以使用任何其它合适的泵,例如注射器泵。在将液体输送到喷嘴之后,通过喷嘴出口,以球形液滴14的形式进行分配。液滴14由本体试剂的水溶液组成,例如乳酸钙。其它组分可能存在于液滴中,例如增稠剂和/或增密剂。调味剂也可以存在。

浴12含有松散试剂的水溶液,例如海藻酸钠。浴中可能存在其它组分,例如增稠剂和/或增密剂。液滴14穿过浴12的上表面并在浴中沉没,然后静止在浴的底板18上。一旦液滴14与浴12中的液体接触,液滴14中的乳酸钙和浴12中的海藻酸钠之间的反应就被激活。该反应的产物是海藻酸钙,在反应中产生凝胶壳16,凝胶壳包封液滴14。反应继续,直到可用的试剂被排出或者液滴从浴中除去。反应通过反应-扩散过程穿过液滴14的表面进行。壳增长速度随时间逐渐变慢。

尽管在图1中未示出,该装置还允许将第二液滴分配到与第一液滴相邻的位置,以形成几何形状受控的液滴组件。

图2(a)示出了由两个液滴22a和23a组成的一维组件20,两个液滴被分配到浴12内的相邻位置。液滴可以通过多个分配元件(例如多个喷嘴)同时分配,或者可以连续分配。如上所述,与松散介质接触的每个液滴开始形成海藻酸钙壳22b,23b。当两个液滴22a,23a到达浴的底板18上适当位置时,壳从每个液滴朝相邻的液滴向外传播,并且在一段时间之后,壳体22b,23b在液滴之间的区域25内接触。在该中间区域25处,两个壳聚结或整合成为通过凝胶相将两个液滴结合在一起的单一结构。因此形成液滴的稳定组合。组件可以从浴中移除,并在进一步操纵过程中不破坏其结构完整性。例如,可以将组件干燥,脱水,涂覆或浸入另外的水溶液中。图2(b)示出了浴12内的三维组件30,其由液滴31的七个水平平面上相互堆积在彼此顶部而成。液滴31在所有方面与上述图1和图2(a)所述相同。通过在每个液滴周围加入海藻酸钙凝胶胶囊,组件中的每个液滴31与一个或多个相邻液滴结合。因此形成多个液滴31的组件,每个液滴包含由凝胶相壳层封装的液体介质,且每个液滴通过凝胶相壳层与至少一个相邻液滴结合。组件可以从浴中移除,并在进一步操纵过程中不破坏其结构完整性。例如,可以将组件干燥,脱水,涂覆或浸入另外的水溶液中,例如钙溶液中。另外的水溶液可以与主体溶液相同。图2(c)示出了浴12中的三维组件40,其由液滴的七个水平平上彼此的顶部相互堆叠而成。除了图2(c)中的组件包括两种不同类型的液滴之外,该组件其他特征类似于图2(b)所示的组件。第一类液滴44位于组件的中心区域43中,并且第二类液滴42位于围绕该中心区域的外围区域41中。

区域43和区域41之间的差别是液滴的尺寸不同。或者,液滴组成可能有差异。例如,区域43中的液滴包含的溶质浓度比区域41中更高。或者,区域之间的液滴形状可能存在差异。可能不同的液滴的许多其它性质对于本领域技术人员是显而易见的。还将清楚的是,组件中可能存在多于两个不同的区域,例如组件可以包含至少3,4或5个不同的区域,每个区域中的液滴具有与其它区域中不同的性质。图3示出了根据本发明的一个实施例的组件构建方法((a)-(h))。图4显示了类似的方法((a)-(b))。

在图3(a)-(h)中,示出了组件的构建,其包括组合以在组件内产生不间断区域的多个液滴。首先,松散介质的沉积浅层在容器50内形成浴52(图3(a))。单独的液滴沉积在浴52上,以形成液滴溶液54a和54b的主体的第一层体,使得每个液滴的一部分保持暴露在浴表面之上。

每个液滴54a和54b含有乳酸钙,并且松散介质含有藻酸钠溶液。在每个液滴54a,54b和松散介质52之间的界面处,乳酸钙和海藻酸钠之间在反应-扩散过程中发生反应。藻酸钙凝胶形成,当钙离子迁移通过新生凝胶壳时,它从界面向外传播,并继续与藻酸盐离子反应,从外部增厚壳。由于每个液滴表面的下部仅与松散介质接触,所以壳仅部分封装液滴54a和54b。

在如图3(d)所示的下一步骤为,将附加的松散介质引入浴52,以覆盖液滴54a和54b的更大部分(但不是整体)。每个液滴的上表面仍然暴露在浴的表面之上。

然后在刚刚覆盖松散介质的液滴的局部界面处形成凝胶壳(图3(e))。

在图3(f)所示的工艺步骤中,由液滴57a和57b组成的液滴的第二层沉积在第一层上。液滴57a的一部分接触液滴54a的暴露部分,并且液滴57b的一部分接触液滴54b的暴露部分。在液滴之间的界面处,藻酸钙壳不形成,液滴介质将组合在组件中。然后,如图3(e)所示,在沉积第二层之后,向浴中加入额外的松散介质,以覆盖所有第二层液滴的上部暴露部分。

如图3(g)所示,之后第三层以与第二层相似的方式沉积。在该实施例中,组件由三层液滴组成,因此在第三层体沉积物形成之后,将松散介质加入到浴中,松散介质完全覆盖组件58,同时形成外壳。然后可以将组件58留在浴中保持预定的时间,以使外部海藻酸钙壳的厚度达到理想数值。然后可以从浴中重新获得组件58,所得到的组件58如图3(h)所示。

所得组件由具有由沉积液滴的顺序和位置限定几何形状的壳组成,其包含自沉积液滴介质的聚结而形成的连续的、不间断的内部介质51。

图4(a)和(b)示出了通过将刚刚描述的方法变化一些后形成的组件。制备过程相同,但使用包含更多单个液滴的沉积物,以产生“高分辨率”弓形组件59。这表明该方法在生产不同几何组件时的多功能性。特别地,该方法可以产生在完成时自支撑但在组件构建期间不一定自支撑的几何组件,例如组件59。图5示出了根据本发明形成的组件形成方法,其使用“茶叶悖论”现象引起各个单元液滴聚集成组件。

喷嘴60形式的分配元件位于包含松散介质62浴的容器61上方的固定位置。喷嘴将液滴63分配到松散介质中。在整个方法中,通过例如使包含松散介质的容器旋转的方式,以恒定速率搅拌松散介质。或者,可以在容器内使用搅拌元件。 在所示的实施例中,11个液滴分配到松散介质中。然而,通过该方法可以用于形成液滴的数量没有特别限制的组件。对于非常小的液滴,搅拌作用下,在聚集之前,可以非常快速地将数千或者甚至数百万个液滴分配到松散介质中。当液体被搅动时,松散介质内的液滴63将自然地迁移到容器的中心和底部。 这是因为已知的“茶叶悖论”现象。如在上述实施方案中,在液滴浸入松散介质中之后,藻酸钙的凝胶胶囊壳开始在每个液滴周围形成。随着液滴接触容器中心,壳传播继续进行,相邻液滴的壳彼此结合形成组件64。在液滴整合之后,可以终止搅拌,并且可以从松散介质(或排出的松散介质)中移除组件。这是形成液滴组件非常有效的方法,其中每个液滴的确切位置便不是那么重要。使用乳酸钙的液滴溶液和藻酸钠松散溶液制备上述组件。然而,许多其它试剂可以用作这些试剂的替代品,以在液滴周围产生固体材料的胶囊。下表列出了一些特别有用的试剂组合。试剂1可以存在于液滴或松散介质中。当试剂1存在于液滴中时,试剂2存在于松散介质中,反之亦然。

图17(a)-(e)示出了SCARA机器人70,其可用于在组件形成期间控制分配喷嘴的运动。SCARA机构70由刚性固定基座71组成、固定在该基座71上的第一伺服电动机72。然后,第一伺服电动机72通过可旋转接头连接到第一支架73。第二伺服电动机74在比第一伺服电动机72低的位置处固定地安装到第一支架73。通过可旋转接头连接到第二伺服电动机74的第二支架75完成该机构。第二支架75包括多个附接点,分配喷嘴可附接到该附接点。

图17(c)-(e)显示了通过电动机72和74的旋转实现的三个不同配置SCARA机制的平面图。图17(f)-(j)示出了以不同配置布置的SCARA机构的可访问区域的平面图。在每个图的中心的伺服电动机72和74可视为矩形,通过由水平线表示的支架73和75连接。在(f) -(j)的每一个图中,使用不同长度的支架73,导致分配的喷嘴旋转范围和可接近区域不同。可以在两个配置中的喷嘴达到深灰色区域,通过在一个电机配置中的喷嘴到达浅灰色区域。图18示出了分配装置80:包括盖81,微型鼓风机82,垫片83和微型鼓风机适配器84。该单元附接到可容纳一定体积的液体储存器85的顶部。储存器85与喷嘴86流体连通。储存器安装在传感器适配器87中,所述传感器适配器87包括用于检测何时从喷嘴86分配液滴的发射器88和接收器89。

图19(a)示出了用于控制水浴温度的加热系统90,或者更具体地说是根据本发明的松散介质浴。加热装置90具有倒立的圆锥形状的外部金属容器91。加热元件(电阻丝)93缠绕在容器91的外表面上。浴92放置在容器91内。浴92的外形与容器91的内部形状对应。这使容器内的浴的紧密配合。此外,截头圆锥形状意味着当浴运载负载时,迫使浴与容器更紧密地接触,促进容器和浴之间更好的热传递。图19(b)示出了安装在基座单元95中的相同加热系统。

图20示出了根据本发明的一个实施例的液滴组件形成装置100的横截面示意性。浴101包括一内分隔壁102,内分隔壁102从浴101的一侧壁延伸至相对侧壁,穿过浴101的内侧。因此,分隔壁在浴缸内形成两个独立的室。一个室包含松散介质103,液滴沉积到其中,直到形成组件104。 在组件完成之后,装置围绕非垂直轴线旋转(例如围绕垂直于页面的轴线逆时针转动),直到松散介质流到左侧腔室中。 该过程由图20中的箭头105示出。当装置返回到如图20(b)所示的初始位置时,组件与松散介质隔离,无需任何干预。 实施例 浴组成

将1g海藻酸钠溶于200mL蒸馏水中,得到包含0.5%w/v海藻酸钠溶液的浴组分B1。将600mg藻酸钠溶解在200mL蒸馏水中,得到包含0.3%w/v海藻酸钠溶液的浴组分B2。将600mg海藻酸钠和20g糖溶解在200mL蒸馏水中,得到包含0.3%w/v海藻酸钠和10%w/v蔗糖溶液的浴组分B3。

将600mg海藻酸钠和20g麦芽糖糊精溶于200mL蒸馏水中,得到包含0.3%w /v海藻酸钠和10%w/v麦芽糖糊精的溶液的浴组分B4。

将500mg海藻酸钠溶解在200mL蒸馏水中,得到包含0.25%w/v海藻酸钠溶液的浴组分B5。将1g海藻酸钠和4mL食物色素溶于200mL蒸馏水中,得到包含0.5%w/v海藻酸钠和2%v/v食用色素溶液的浴组分B6。

将250mg海藻酸钠溶解在200mL蒸馏水中,得到包含0.125%w/v海藻酸钠溶液的浴组分B7。 液滴组成 将2g乳酸钙,2g黄原胶和30g糖溶解在200mL蒸馏水中,得到包含1%w/v乳酸钙,1%w/v黄原胶和15%w/v蔗糖的液滴形成溶液D1。

将2g乳酸钙,2g黄原胶和100mL Marks&Spencer(RTM)苹果和芒果高汁溶解在100mL蒸馏水中,得到包含1%w/v乳酸钙,1%w/v黄原胶和50%w/v高汁的液滴形成溶液D2。

将2g乳酸钙和1g黄原胶溶于150mL蒸馏水中,然后将50mL糖含量为80%w/v的液体蜂蜜溶解在该溶液中,得到包含1%w/v乳酸钙,0.5%w/v黄原胶和25%v/v蜂蜜的液滴形成溶液D3。在第二步中单独添加蜂蜜,因为在蜂蜜存在下,固体不容易溶解。将2g乳酸钙,0.4g黄原胶和10g糖溶解在200mL蒸馏水中,得到包含1%w / v乳酸钙,0.2%w / v黄原胶和5%w / v蔗糖的液滴形成溶液D4。

将2g乳酸钙和10g糖溶解在200mL蒸馏水中,得到包含1%w / v乳酸 钙和5%w / v蔗糖的液滴形成溶液D5。将2g乳酸钙,2g黄原胶,30g糖和4mL食物色素溶解在196mL蒸馏水中,得到包含1%w/v乳酸钙,1%w/v黄原胶,15%w/v蔗糖和2%w/v食用色素的液滴形成溶液D6。将2g乳酸钙,2g黄原胶,30g糖和20mL酸奶溶解在180mL蒸馏水中,得到包含1%w/v乳酸钙,1%w/v黄原胶,15%w/v蔗糖和10%w/v酸奶的液滴形成溶液D7。

将2g乳酸钙,34g糖和4mL食物色素溶解在196mL蒸馏水中,得到含有1%w/v乳酸钙,17%w/v蔗糖和2%w/v食用色素的液滴形成溶液D8。

将1g乳酸钙和1g黄原胶溶解在100mL立陶宛黑醋栗酒中,得到在立陶宛黑醋栗酒中含有1%w/v乳酸钙和1%w/v黄原胶的液滴形成溶液D9。将2g乳酸钙,1g黄原胶和10g糖溶解在200mL蒸馏水中,得到包含1%w/v乳酸钙,0.5%黄原胶和5%w/v蔗糖的液滴形成溶液D10。使用蒸馏水和自来水两者制备液滴溶液,但是在所得结果中没有观察到明显的差异。 溶液的制备 在制备上述液滴形成溶液时,在混合溶质以使其溶解的过程会引入大量气泡,这可能妨碍液滴组件的形成。可以通过离心或真空脱气成功除去气泡。在离心的情况下,使用巴斯德吸管将溶液分配到2mL管中,并使用Sprout® Mini-Centrifuge (Heathrow Scientific® LLC)以约2,000g的相对离心力将管离心。在真空脱气时,将溶液在约5Pa的绝对压力下,真空脱气5分钟。对于高粘度溶液或可能含有表面活性剂的那些溶液,如含有蜂蜜的溶液,则需要迅速将溶液放到大气压环境下,并重复10次真空脱气过程。

实施例1

试图用液滴形成溶液D1生产以立方晶格排列的包含48个液滴的组件。每个液滴的直径为约3毫米。在可能进行组件制备的地方(例如,在可能进行浴渗透的情况下),将完成的组件在构建后留在浴中2分钟,以确保形成足够的壳以支撑结构。使用勺子从浴中取出组件,用纸巾吸收多余的浴液。通过从多个角度拍摄组件来评估组件的结构,包括对应于晶格结构的晶体方向。在组件是可食用的情况下,他们的口感也通过摄入进行测试。

使用位于浴上方10cm处的蠕动泵和喷嘴分配液滴形成溶液。蠕动管的内径为1mm,外径为3mm。喷嘴由安装在蠕动管末端的一次性10μL移液头组成。 浴液的深度约25毫米。分配连续液滴之间的时间间隔约为4秒。根据从计算机传递到微处理器的指令,通过笛卡尔平移台来控制喷嘴相对于浴槽的移动。液滴以连续的层分布,从最低到最高。在每个层内,液滴以从左至右的光栅扫描图案分成行。分配装置如图6所示。通过在微波炉中将浴加热至给定温度来调节浴温,并使其在定期搅拌浴时逐渐冷却并使用温度计监测温度。结果列于下表1和图7。

表1-浴成分和温度变化时组件性能

这些结果表明浴温度对液滴形成溶液D1穿透浴液表面的能力的影响。需要较高的温度来降低浴的粘度,以补偿浴中较高浓度的藻酸盐。过高的温度进一步降低了浴的粘度,这导致液滴相对于胶囊集成速度下降的太快,使液滴在集成之前倾向于滚下组件,而不是集成在组件中的预期位置。

实施例2

试图使用滴液形成溶液D3,以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B2中产生组件。液滴以约100%的概率渗入浴中,并且在21℃和27℃的浴温下获得良好的印刷保真度。实施例3 试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B1中产生组件。

将最终液滴整合到组件中后,立即从浴中取出组件。当组件从浴中移除时,注意到组件周边上的单个液滴明显不同,并且从组件中显着突出。提取组件,注意到包封的凝胶膜具有柔软的口感。在将最终液滴整合到组件中之后,大约15分钟内从浴中移出另一个组件。 当从浴中取出组件时,注意到外封装凝胶变得明显比第一组件中更厚,使得组件具有更平滑的外观,并且更难以区分在组件外围的单个液滴。提取组件,注意到包封的凝胶膜具有明显的凝胶状口感。实施例4

试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B1中产生组件。浴溶液的深度大致等于组件的预期结构的高度。然而,发现组件最上层之上的液滴没有完全浸入浴中,这些液滴没有被完全包封,因此它们的液滴溶液暴露于空气中。得出结论,需要以过量的浴液深度输出,以允许组件最上面的液滴完全被包封。 实施例5 试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述相同的方式在浴液B1中产生组件,除了实施例5中分配连续液滴之间的时间间隔为1秒以外。液滴之间的时间间隔减少导致每个液滴在浴中下沉,而先前分配的液滴也在下沉。通常,在相邻位置分配连续的液滴。因此,液滴通常与另一个也在下沉的液滴相邻。这样的一对液滴在下沉时相互作用,使得它们中的一个或两个沉降在预期以外的位置。

实施例6

试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述相同的方式在浴液B1中产生组件,除了产生10个液滴线性排列的一维组件外。液滴以约100%的概率渗入浴中,并且在室温下获得良好的印刷保真度。实施例7

试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述相同的方式在浴液B1中产生组件,除了产生19个液滴六角密堆积排列的二维组件。液滴以约100%的概率渗入浴中,并且在室温下获得良好的印刷保真度。 图8中描绘了浴内构造的组件。

实施例8

使用滴液形成溶液D6和D7,试图在室温下以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B1中制备组件,除了产生大约100个液滴垂直堆叠的排列的组件,以及单独的泵,管和喷嘴的长度用于每个液滴形成溶液。两个喷嘴相对于彼此处于固定位置,并横向分开8mm。 每层由六角密集排列的液滴组成。这种布置使得溶液D7的液滴形成了另外由溶液D6的液滴组成的形状的带,并且使得整体组件类似于草莓的形状。在图9(a)-(d)中描绘了在连续的构造阶段和最终状态下的组件。 实施例9 使用液滴形成溶液D6,试图在室温下以与实施例1所述完全相同的方式在浴溶液B1中制备组件,除了垂直堆叠层的排列中产生111个液滴的组件,每个层由六边形紧密堆积的液滴组成,六边形的轮廓,使得整个组件具有右六边形棱镜的轮廓。组件如图10所示。

实施例10

为了证明在本体介质中包含不需要形成液滴组件物质的可能性,并且为了确定是否可以制备包括酒精饮料的液滴组件,使用液滴形成溶液D9,以与实施例1中所述完全相同的方式在28℃下,试图在浴溶液B2中产生组件。液滴以约100%的概率渗透浴缸,打印保真度是可以接受的。图11中显示了液滴中含有立陶宛黑醋栗酒和封装凝胶中含有食用色素的组件。

实施例11 为了在浴溶液中检测不同浓度的藻酸盐的液滴形成,使用液滴形成溶液D8在室温下,在浴B7,B5和B1中形成单独的液滴。使用巴斯德吸管从浴表面上方约1厘米处分出液滴。

浴B7的典型结果如图12所示,其显示了来自实验视频的画面。第一帧

显示当液滴首先接触浴时的瞬间,相邻的帧相隔149毫秒。比例尺大约15mm。

从该实验得出结论,在浴B7中制成的溶液D8的液滴凝胶膜包封被太弱,从而不能支撑液滴的重量,并且液滴因此平坦化成明显的扁球状体。

浴B5的典型结果如图13所示,它显示了实验视频的画面。第一帧显示当液滴首先接触浴时的瞬间,相邻的帧相隔300ms。比例尺大约15mm。从该实验得出结论,在浴溶液B5中制成的溶液D8的液滴被足够强的足以支撑液滴的重量的凝胶膜包封,并且液滴因此保持近似球形。然而,注意到,包封的液滴表现出从其尾部极端出现的长的卷须。浴B1的典型结果如图14所示,其显示了来自实验视频的帧。 第一帧显示液滴首先接触浴时的瞬间,相邻的帧时间间隔1.499秒。比例尺大约15mm。注意到,液滴需要几秒钟从浴的表面下沉,并且它比在浴溶液B7或B5中形成的液滴缓慢下沉。从该实验还得出结论,在浴溶液B1中制成的溶液D8的液滴被足够强的足以支持液滴的重量的凝胶膜包封。然而,液滴是不规则的形状,并且表现出从其尾部极端出现的长的卷须。从这三个实验中得出的结论是,由液滴形成溶液D8制成的胶囊化液滴需要大于0.125%w/v的藻酸盐浓度,例如0.25%w/v或0.5%w/v。

实施例12

为了在与溶液冲击下以液滴速度变化来检测液滴形成,使用液滴形成溶液D8在室温下,于浴B1中形成单个液滴。液滴从不同的高度分配,使得它们在撞击浴液表面时具有不同的速度。

在一个实验中,使用来自浴液表面1厘米处的巴斯德吸管分配液滴。该实验的结果在图14和实施例11中的附文中详细描述。在另一个实验中,使用巴斯德吸管从浴表面上方4.5厘米处分出液滴,其已经包含预先从浴表面上方1厘米处分出的液滴。结果显示在图15中,其显示了来自实验的视频的画面。第一帧显示液滴首先接触浴时的瞬间,相邻的帧时间间隔1.499秒,比例尺大约15mm。注意到从浴溶液上方4.5cm分配的液滴与从溶液上方1cm分配的液滴不同,前者具有更明确的形状,它具有更明显的边界,并且更快沉入浴中。在沉没在浴中之后,液滴接触前一个液滴,两个液滴形成一个保持直立的稳定的组件。第二个液滴接触前一个液滴时,第二个液滴以约3.5 mm/s的速度下沉。这表明原则上可以构造精确定义的组件,并且这些组件可以具有垂直或悬垂边缘。实施例13

为了确定黄原胶对包封的液滴的形状的影响,液滴形成溶液D4和D5分别用于在室温下在浴溶液B5的容器中制备单个液滴。 以与实施例1相同的方式制备水滴。从液滴溶液D4形成的每个液滴在冲击浴液表面后沉入浴中13秒,并且包封的液滴在尾部极端有一个短点。从液滴溶液D5形成的每个液滴在冲击浴液表面后沉入槽中5秒,并且包封的液滴包含长于从其尾部极端延伸的一个液滴直径径的卷须。从该实验得出结论,将黄原胶添加到液滴形成溶液有助于实现球形或近球形形状包囊。

实施例14

试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B1中产生组件。为了确定液滴组件是否可以储存在水中,将构建的组件从浴中取出后放入密封的蒸馏水小瓶中。24小时后从小瓶的蒸馏水中取出组件。 组件保持完整,唯一明显的变化是液滴溶液中的食物着色剂扩散到小瓶的蒸馏水中。因此,蒸馏水通过食物着色轻微着色,组件的液滴色彩没有刚刚制备出的时候强烈。

实施例15

试图在室温下使用滴液形成溶液D6,以与实施例1中所述完全相同的方式在浴液B1中产生组件。为了确定液滴组件是否可以储存在油中,将构造的组件从浴中取出,使用纸巾去除多余的本体溶液,并将组件放入密封的装有橄榄油的小瓶中。24小时后组件基本保持不变,大约15%的组件的体积已经从组件中流出,以形成在组件的周边上聚集的液相。

实施例16

试图在室温下使用滴液形成溶液D10,以与实施例1中所述相同的方式在浴

液B5中产生组件,区别是将32个液滴组装成两层六方密堆积结构,使用喷嘴将每个液滴浸入浴中。组件制备过程和构造的组件如图16所示。

图16(a)-(f)中的过程如下:

a. 一个悬挂的液滴悬挂在浴上方的喷嘴上。

b. 喷嘴下降,使得悬挂的液滴与浴液接触。

c. 喷嘴进一步降低,使得悬滴液完全浸入浴液中。

d. 喷嘴被升高,使得喷嘴从浴液中移出。

e. 喷嘴进一步升高,使得悬滴从喷嘴脱离。

f. 先前的悬挂液滴浸入浴液中。

图16(g)-(j)示出了构造的两层组件;

g. 沿着结晶方向观察组件。由于精确地将液滴包装成规则的阵列,当沿着晶体方向观察组件时,两层难以区分。

h. 不沿着结晶方向观察组件。

i. 沿着不同的结晶方向水平观察组件。

j. 不沿着结晶方向水平观察组件。

还测试了上述方法的变型,其中步骤(a)和(b)被单一步骤代替,像实施例1那样,泵送足够的液滴形成溶液,在重力作用下液滴从浴上方的喷嘴分离。然而,在将喷嘴降低到浴中,然后将其升高以浸没液滴的第一循环之后,随后从喷嘴出来的每个液滴有可能会润湿喷嘴的外表面。因此,在第一次之后的所有液滴在重力下分离之前,需要泵送更多的溶液,因此液滴尺寸不一致。

可以通过在开始组装结构之前将喷嘴浸入浴中或通过在生产每个液滴之前清洁喷嘴的外表面来解决这个问题。也可以通过在喷嘴的外表面上使用不同的材料,特别是更疏水的材料,例如聚四氟乙烯(PTFE)来避免这个问题。

因为本领域技术人员可以使用本文引用的所有参考文献的公开内容实施本发明,所以通过交叉引用特异性地并入本文。

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