容纳至少一种生物活性流体和至少一种预备流体中的至少一种的容器及其方法与流程
本发明涉及一种生物活性流体和至少一种预备流体(preparatoryfluid)中至少一种的容器(如生物反应器或混合容器)以及在用于容纳至少一种生物活性流体和预备流体的容器中形成三维结构的方法，该容器包括用于容纳三维打印机组件的区域。
背景技术：
三维打印机的目的在于将三维结构打印到打印平台上。在该结构形成之后，打印部件可在细胞/培养发酵过程中浸入培养基(media)中，或者用于制备用于进一步加工的三维打印对象。各个培养基可以被包含在例如生物反应器或混合容器中。目前，三维结构可以在三维打印机中打印，然后被转移到单独的生物反应器或混合容器中以进行进一步处理。然而，当将三维结构从三维打印机转移到例如生物反应器时，现有技术中出现的问题是在转移期间必须保持三维结构无菌。通过耗费大量的技术努力，现有技术已经解决了这个问题。
因此，本发明的目的在于解决三维结构的形成问题，并且以简化的方式在无菌条件下对它们进行进一步的处理。
技术实现要素：
该技术问题已通过用于容纳至少一种生物活性流体和至少一种制备流体中的至少一种的可灭菌容器解决，该可灭菌容器包括：
-在用于容纳至少一个可灭菌三维打印机组件的容器内的区域；
-可灭菌三维打印机组件包括：
·至少一个打印平台；
·至少一个打印机喷头，打印机喷头用于将结构材料分配到至少一个打印平台上，以在打印平台上形成三维结构；和
·移动机构，移动机构用于在至少一个打印机喷头和至少一个打印平台之间提供相对位移；
其中，该区域被构造成使流体到达打印机组件。
术语“可灭菌”被理解为容器适合于被灭菌，以特别地在容器内提供无菌条件，从而使得由至少一种生物活性流体和/或预备流体在容器中进行的任何生物和/或化学过程不受影响。示例性的灭菌容器由玻璃、不锈钢或塑料制成。灭菌可以通过例如，γ辐射法、高压灭菌法、原位蒸汽灭菌法和/或化学灭菌剂(例如环氧乙烷或蒸发的过氧化氢)进行。
这同样适用于“可灭菌三维打印机组件”。特别地，三维打印机组件适合于被灭菌，以在打印机组件中提供无菌条件。因此，打印机组件的部件适于灭菌。例如，打印机组件的部件由金属、塑料和/或玻璃制成。
分配到至少一个打印平台上的“结构材料”可以形成基质(matrix)、支架(scaffolding)和/或载体，包括但不限于聚乳酸(pla)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、碳纤维、金属、羟基磷灰石(ha)、胶原、纤维蛋白、水凝胶、甲壳素、透明质酸或其它结构材料。
由三维打印机组件打印的三维结构可以根据期望的产品具有任何形状，该期望产品之后可通过利用三维结构产生。特别地，细胞培养物可以在三维结构上繁殖，以在三维产品上生长。例如，活细胞、细胞成分产物(例如蛋白质、抗体、脂质)、细胞/培养发酵过程的副产物(例如醇或排泄物，或重组表达蛋白质)可以均匀地和/或选择性地繁殖和/或主动地分配到三维结构上。
至少一种生物活性流体优选地包括那些细胞培养物，因而一旦生物活性流体接触三维结构，细胞培养物就在三维结构上繁殖。
如果打印机组件容纳在用于容纳至少一种生物活性流体的容器中，那么生物活性流体可以在打印过程之后被引导到三维结构。如果打印机组件包含在用于容纳至少一个预备流体的容器中，那么在细胞培养物在三维结构上繁殖之前由至少一个预备流体制备三维结构。在制备过程之后，生物活性流体可以被抽运到容纳至少一种预备流体的容器中，从而使得细胞培养物可以在同一容器中的三维结构上繁殖，或者将制备的三维结构以无菌方式(例如转移舱口)转移到用于容纳至少一种生物活性流体的容器。
在一个实施方案中，生物活性流体由至少一个打印机喷头分配到三维结构上。生物活性流体由均质来源或非均质来源分配。多种生物活性材料可以由多个打印机喷头或单个打印机喷头分配。
优选地，当生物活性材料进行切换时，打印机喷头提供冲洗步骤。生物活性材料可另外地包含营养丰富的材料(例如糖、血清或其它材料)，以提供营养物质，从而促进细胞生长以及将一种或多种细胞类型贴附到打印的三维结构上。
在由打印机组件打印的三维结构上生长的三维产品包括用于药物的体外药效和/或毒性测试的3d打印功能组织、用于通过将生物成分与理化检测器(电化学、光学、热和/或压电)结合来检测分析物的生物传感器、用于为体外诊断或环境分析目的而繁殖有细胞或细胞产物的诊断膜、用于替代疗法的细胞组织(例如皮肤、肌肉、神经元和其它组织)、基架结构(scaffoldingstructure)(例如骨头、软骨、韧带和其它生物结构材料)、工程化组织产品(例如替换血管、腱，生物衍生支架、外周血管装置和其它工程产品)、将组织与电子部件组合(例如将可植入式电子装置与细胞接种，以减少植入时的不相容性和/或提供组织/器官的增加功能)的工程产品、部分功能的器官和/或功能完整的器官(如肝脏、肾脏、心脏、肺、生殖器官、脊髓、脑组织和其它替代器官)、去除所有的细胞并同时保持完整结构和剩余结构的再细胞化以将其返回到功能性器官的器官或生物成分的去细胞化以及再生医疗产品(例如利用3d打印产品中患者的衍生细胞来限制和/或防止由于与免疫系统不相容而导致的患者排斥)。
本发明提供的优点是三维结构直接在容器中打印，以容纳至少一种生物活性流体(即液体和/或气体)和/或至少一种预备流体(即液体和/或气体)。不再需要提供单独的外部三维打印机组件，打印的三维结构必须从该三维打印机组件移除且之后转移到用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中。特别地，三维结构可以保留在用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器的无菌环境中。因此，无需将三维结构从外部三维打印机组件传送到用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器。换句话说，将三维结构打印在用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中，因而可将生物活性流体和/或预备流体或其中的一部分接种到三维结构上和/或制备用于进一步加工的三维结构。
优选地，打印机组件包括打印机组件外壳,该打印机组件外壳以无菌方式至少部分地封装打印机组件。
在打印机组件打印三维结构的同时，打印机组件壳体可能容纳容器中容纳的生物活性流体和/或预备流体，该容器用于容纳生物活性流体和/或预备流体。然而，在打印过程中，可以防止生物活性流体和/或预备流体进入打印机组件壳体。
优选地，移动机构包括至少一个弯曲臂，该弯曲臂由邻近至少一个打印平台设置的支撑面支撑，其中，至少一个打印机喷头附接到该弯曲臂。
术语“相邻”被理解为支撑面设置在支撑面的旁边，从而使得附接到弯曲臂的至少一个打印机喷头能够将结构材料分配到至少一个打印平台上。因此，“相邻”也意味着支撑面可以设置在低于或高于至少一个打印平台的水平面的水平上。
用作保持至少一个打印机喷头的支撑结构的弯曲臂节省了支撑结构的空间，其不限于打印三维结构的空间。此外，当将三维结构从用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中移除时，弯曲臂不阻碍用户接近最终打印的三维结构。
优选地，弯曲臂可相对于支撑面在缩回位置和延伸位置之间移动。
换句话说，弯曲臂可在端部位置“缩回位置”和“延伸位置”之间移动。然而，这并不意味着弯曲臂只能设置在后面提到的位置。弯曲臂也可以停止在缩回位置和延伸位置之间的任何位置。
因此，附接到弯曲臂的至少一个打印机喷头可朝着期望的位置移动，以将结构材料和/或生物活性流体在期望的位置分配到至少一个分配平台和/或三维结构上。另外，在弯曲臂已经朝着缩回位置移动之后，由打印机组件形成的三维结构可以以简化的方式从用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中移除。
优选地，弯曲臂延伸穿过支撑面中的通孔。
该通孔允许弯曲臂在缩回位置和延伸位置之间移动。当延伸穿过支撑面中的通孔时，弯曲臂的一部分从支撑面朝向打印机组件的上侧突出，而弯曲臂的另一部分从支撑面朝向打印机组件的下侧突出。在弯曲臂的朝向打印机组件的上侧突出的部分处设置有至少一个打印机喷头。根据弯曲臂的状态，弯曲臂的朝向上侧突出的部分与弯曲臂的朝向下突出的部分的比率发生改变。如果弯曲臂设置在缩回状态，弯曲臂朝向下侧突出的部分大于弯曲臂的朝向上侧突出的部分。对于延伸位置，反之亦然。
优选地，至少一个打印机喷头沿着弯曲臂可移动并可相对于弯曲臂枢转。
因此，实现了打印机喷头更高的自由度，从而能够以改进的方式打印三维结构。
优选地，打印机喷头具有至少一个用于将结构材料分配到至少一个打印平台上的分配器，其中，分配器相对于打印机喷头是固定的或可移动的。
如果分配器是可移动的，则分配器可以在多个轴线上移动且具有精确地分配结构和/或生物活性材料所需的尺寸。
优选地，支撑面是可移动的或静止的。
在支撑面是静止的情况下，可以设置多于一个弯曲臂，多个弯曲臂被设置在至少一个打印平台的周围，以便能够从不同的侧面将结构材料和/或生物材料分配到打印平台和/或三维结构上。支撑面也可以分成多个支撑面，其中至少一个弯曲臂由相应的支撑面支撑。
在支撑面是可移动的情况下，支撑面与由支撑面支撑的至少一个弯曲臂一起可围绕至少一个打印平台移动。另外地或替代地，支撑面可以是可移动的，从而使得朝向至少一个打印平台的距离可以改变。这可以通过改变沿着至少一个打印平台的相同水平面的距离或改变沿着高度方向的距离来实现。如果支撑面是可移动的，则可以减少所需弯曲臂的数量，以便打印三维结构。
在设置有多于一个支撑面的情况下，各个支撑面可以是静止的或可移动的。
优选地，驱动组件设置在打印机组件的下侧，该打印机组件用于驱动至少一个弯曲臂、至少一个打印平台和支撑面中的至少一个，其中，相对于打印机组件的形成三维结构的上侧，打印机组件的下侧被密封。
驱动组件是打印机组件的敏感部件，由于驱动组件的部件(例如电机、齿轮、传感器、称重传感器)可能被流体损坏且由于用于驱动组件的材料(例如，油)不应该与生物活性流体和/或预备流体混合，驱动组件不应该与任何一种生物活性流体和/或预备流体接触。通过将驱动组件设置在相对于打印机组件的上侧密封的打印机组件的下侧，可以保护驱动组件不与生物活性流体和/或预备流体的任何接触。在打印三维结构之后，例如当将细胞培养物接种在三维结构上时和/或制备用于进一步加工的三维结构时，通过将驱动组件设置在打印机组件的下侧上，生物活性流体和/或预备流体将仅存在于打印机组件的上侧。然而，通过密封元件可防止生物活性流体和/或预备流体进入打印机组件的下侧，该密封元件优选地设置在打印机组件的部件的任何边缘之间，其中防止了生物活性流体和/或预备流体进入打印机组件的下侧。
优选地，进料组件设置在打印机组件的下侧，其经由至少一个导管与至少一个打印机喷头连接，该导管延伸穿过至少一个弯曲臂，以将结构材料供给至少一个打印机喷头。
进料组件也是打印机组件的敏感部件，由于进料组件可能被流体损坏且由于用于进料组件的材料不应当与生物活性流体和/或预备液体混合，进料组件不应与任何一种生物活性流体和/或预备流体接触。在打印三维结构之后，当例如将细胞培养物接种在三维结构上时和/或制备用于进一步加工的三维结构时，生物活性流体和/或预备流体将仅存在于打印机组件的上侧。然而，通过密封元件防止生物活性流体和/或预备流体进入打印机组件的下侧。
进料组件可以例如包括用于将结构材料和/或生物活性流体抽运到打印机喷头的泵和/或用于将结构材料和/或生物活性流体加热至所需温度的加热元件，其提供有利的分配温度。通过至少一个导管，结构材料和/或生物活性流体可以以安全的方式从打印机组件的下侧泵送到上侧，该导管延伸穿过至少一个弯曲臂且用于将结构材料和/或生物活性流体从打印机组件的下侧引导到位于打印机组件上侧的至少一个打印机喷头。特别地，至少一个导管不暴露于生物活性流体和/或预备流体，并且需要一个或多个通过例如支撑面的另外的通孔，至少一个导管穿过该另外的通孔可防止从打印机组件的下侧延伸到上侧。因此，可以减少从打印机组件的下侧密封上侧的努力。
打印机组件的上侧可以是由一次性组件限定的容器中的限定区域。通过附接机构(例如锁扣机构(snapmechanism))，一次性组件可以与进料组件和/或驱动组件连接。进料组件和/或驱动组件可以是一次性的或多次使用的组件。
优选地，打印机组件壳体包括至少一个受控流体入口和至少一个受控流体出口中的至少一个，以允许流体在打印机组件壳体和容器之间交换。
在打印过程中，打印机组件壳体相对于用于容纳至少一种生物活性流体和/或预备流体的容器被密封，因而生物活性流体和/或预备流体仅存在于用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中。在打印过程之后，至少一个受控流体入口是可打开的，从而使得容纳在用于容纳生物活性流体和/或预备流体的容器中的生物活性流体和/或预备流体能够流入打印机组件壳体，以填充位于打印机组件上侧的腔室，打印的三维结构存在于该腔室。该至少一个流体出口也是可打开的，以允许排出空气并允许腔室被来自用于容纳生物流体和/或预备流体的容器的流体完全填充。然而，至少一个流体出口用于防止流体和/或气体进入打印机组件壳体，但是允许空气/气体排出打印机组件外壳。根据所需的处理，向打印机组件壳体中填充流体和从打印机组件壳体中移除流体的过程可以多次发生。这可以支持对多种材料进行铺设和/或将不同细胞类型铺设到三维结构上。在每个流体移除步骤结束时，可以将粘附促进材料喷涂到三维结构上，以促使下一层细胞附着在表面上。
因此，不需要在打印过程和接种或准备过程之间打开用于容纳生物流体和/或预备流体或打印机组件壳体，因而以可靠的方式维持容器和壳体内的无菌条件。
优选地，打印机组件壳体是可打开的。
特别地，打印机组件壳体可以包括罩子或盖子，其可打开，以在打印过程之后和/或在如上所述的接种或准备过程之后使用户可接近打印的三维结构。
优选地，容器是生物反应器和混合容器中的一个。
生物反应器中含有用于细胞生长或发酵的各种生物活性流体。为了为细胞生长和/或发酵提供理想状态，生物反应器可以配备有各种传感器和控制单元，该传感器测量生物活性流体的不同的相关参数，该控制单元分析测量的参数且如果需要还可以调整该参数。可能的参数是温度或含氧量等。生物反应器可以是刚性容器或柔性容器。特别地，生物反应器可以由玻璃、金属或塑料形成。另外，生物反应器可以形成为可重复利用的生物反应器或作为一次性生物反应器。
用于容纳至少一种预备流体的容器可以形成为混合容器。在将细胞培养物接种到三维结构上之前，在三维结构的打印过程之后，借助至少一种预备流体(例如，缓冲液、培养基或其它化学品)，混合容器可以用于制备三维结构。混合容器可以提供平台，该平台用于在结构材料的打印过程中移除碎片和/或结构支架、平衡ph和其它有助于细胞粘附或生长的其它因子、灌输营养物质和/或介质、和/或添加在三维结构的处理过程中所需的化学品。在混合容器中完成制备和处理之后，三维结构可以利用转移舱或者生物反应器容器的无菌连接进行无菌转移，以添加至少一种生物活性流体。或者，可以对混合容器进行排水并将至少一种生物活性流体通过例如打印机喷头的分配器添加到三维结构上。可以利用转移舱或者任何其它无菌连接将三维物体转移到培养箱或孵化容器中，以进行进一步处理。
根据本发明的另一方面，潜在的技术问题已通过可灭菌三维打印机组件解决，该组件包括：
-至少一个打印平台；
-至少一个打印机喷头，用于将结构材料分配到至少一个打印平台上，以在该打印平台上形成三维结构；和
-移动机构，该移动机构用于在至少一个打印机喷头和至少一个打印平台之间提供相对位移；
其中，移动机构包括至少一个弯曲臂，该弯曲臂由邻近至少一个打印平台设置的支撑面支撑，至少一个打印机喷头附接到弯曲臂。
优选地，该移动机构包括至少一个弯曲臂，该弯曲臂由邻近至少一个打印平台设置的支撑面支撑，其中，至少一个打印机喷头附接到弯曲臂。
用于如上所述的可灭菌容器的打印机组件的已给出任何定义或解释也适用于打印机组件。
根据本发明的另一方面，潜在的技术问题已通过一种在用于容纳至少一种生物活性流体和至少一种预备流体的容器中形成三维结构的方法解决，该方法包括：
-以无菌方式在容器中的区域中提供可灭菌打印机组件；和
-通过至少一个打印机喷头和打印机组件的至少一个打印平台在容器中形成三维结构，该打印机喷头和该打印平台相对于彼此移动。
用于可灭菌容器的任何定义或解释也分别适用于该方法。
优选地，形成三维结构的步骤包括相对支撑面，在缩回位置和延伸位置之间移动打印机组件的至少一个弯曲臂，该弯曲臂由与至少一个打印平台相邻的打印机组件的支撑面支撑，其中，至少一个打印机喷头附接到至少一个弯曲臂，以将结构材料分配到至少一个打印平台。
优选地，形成三维结构的步骤包括使至少一个打印机喷头沿着至少一个弯曲臂移动。
优选地，形成三维结构的方法还包括打开封装打印机组件的打印机组件壳体中的至少一个受控流体入口的步骤，以在三维结构已经形成之后，将容器中的流体供应到打印机组件壳体中。
优选地，形成三维结构的方法还包括打开打印机组件壳体中的至少一个受控流体出口的步骤，以允许打印机组件壳体排气。
通过研究以下优选实施例和附图的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加明显。此外，应当指出的是，虽然实施例被分开描述，但是这些实施例的单个特征可以与另外的实施例组合。
附图说明
图1图示了包含三维打印机组件的摇摆式生物反应器(rockingbioreactor)的实施例。
图2图示了包含三维打印机组件的混合容器的实施例。
图3a-3d从各个角度图示了三维打印机组件的实施例。
图4图示了图3所示的三维打印机组件具有三个弯曲臂。
图5a-5g图示了打印三维结构的过程。
图6图示了具有存储容器的三维打印机组件的实施例。
图7a-7b图示了具有可伸缩的罩子的三维打印机组件的实施例。
图8a-8d图示了三维打印机组件的等距视图(isometricview)，该三维打印机组件具有设置在至少一个打印平台中的多个细孔(pore)。
图9a-9d图示了具有膜分配器(membranedispenser)的三维打印机组件的等距视图。
具体实施例
图1公开了一种摇摆式生物反应器400(示例性地为“用于容纳至少一种生物活性流体的容器”)的实施例，该摇摆式生物反应器400包含三维打印机组件412，该三维打印机组件412在生物反应器容器430的内。虽然图1仅图示了一个打印机组件412，但是在生物反应器容器430中还可能设置有多个打印机组件412。
该实施例显示了可灭菌生物反应器400，其可以是围以柔性壁的一次性袋(例如，
用于对生物反应器容器430进行排气的排气过滤器组件410通过至少一个管道与生物反应器容器430连接或者与至少一个无菌连接器(未图示)连接，且包含至少一个灭菌级和/或非灭菌级排气过滤器。
入口流体组件402包含至少一个入口过滤器406，其可以是亲水或疏水过滤器、深度过滤器、预过滤器、灭菌级过滤器、支原体保留过滤器(mycoplasmaretentivefilter)、横流(切向)过滤器、超滤过滤器、膜吸附过滤器、病毒保留过滤器(virusretentivefilter)或作为过滤器组件设置的过滤器的组合。入口流体组件402的目的优选地是将无菌培养基(即生物活性流体)供应到生物反应器容器430中。
入口流体组件402包含至少一个无菌入口连接器组件404，其可由至少一个物理无菌连接器组成，该物理无菌连接器包括两个或多个部件，例如具有管道的
此外，入口流体组件402包括入口组件408，例如无泡沫入口、汲取管、喷淋器入口或者到生物反应器容器430内部的其它类型的流体管线。
特别地，无菌介质可以经由至少一个入口过滤器406、入口连接器组件404和入口组件408供应到生物反应器容器430的内部。入口过滤器406与入口连接器组件404连接，且入口连接器组件分别通过至少一个管道与入口组件408连接。入口组件408允许无菌介质进入生物反应器容器430的内部。
此外，出口流体组件(未图示)可以设置在生物反应器容器430中，以使包含在生物反应器容器430中的介质逸出和/或使气体排出。
下面将详细说明包含在生物反应器容器430中的三维打印机组件412。
生物反应器容器430中的三维打印机组件412被配置为使三维结构可以打印在生物反应器容器430的内部，大部分敏感部件被密封在打印机组件412的下面。打印机组件412包括打印机组件壳体434，其包围打印机组件412。这提供了三维结构可以被打印的可能性，同时生物活性流体被保持在打印机组件壳体434外部，但在生物反应器容器430内部。在没有打印机组件壳体434的情况下，必须在三维结构424的打印过程之后将生物活性流体送入生物反应器容器430中。为此，预先将生物活性流体容纳在独立的生物反应器容器中。
在通过接种端口428向生物反应器400中填充培养基或接种细胞之前，由打印机组件412打印三维结构424。随着细胞在生物反应器容器430中的经调节的条件下繁殖，打印的三维结构424可以随着时间将细胞接种到生物反应器容器430的三维结构上。或者，生物反应器容器430已经填充有介质和/或通过接种端口428接种有细胞，而三维结构424打印在打印机组件412的打印机组件容器434中。
在三维结构424的接种过程和繁殖完成之后，可以对生物反应器容器430进行排水，且三维结构424可以经由转移舱426移动，该转移舱426在生物反应器容器430的临近三维打印机组件412的侧壁中。无菌转移袋(未图示)可连接到转移舱426，从而可移除三维结构424并保持在无菌环境中。或者，三维结构424可以在生物安全柜、隔离器或其它环境受控的容器的内部移除，以防止污染。
三维打印机组件412优选地包括至少一个用于将结构材料分配到至少一个打印平台上的打印机喷头416，以形成三维结构424。图1图示了第一打印平台420和第二打印平台422，它们同轴布置。至少一个打印机喷头416附接到至少一个弯曲臂414，该弯曲臂414由支撑面418支撑。如图1所示，支撑面418邻近打印平台420,422布置，且优选地包围打印平台420,422。
虽然图1所示的实施例已经被描述与摇摆式生物反应器有关，但是任何公开内容也适用于任何其它类型的生物反应器。可能的生物反应器为一次性悬浮生物反应器、可重复使用的悬浮生物反应器、摇摆式生物反应器、灌注式生物反应器、搅拌式生物反应器、光合生物反应器、微型生物反应器、贴附式组织培养瓶、贴壁细胞培养器或连接到生物反应器的外部容器。
图2图示了混合容器450，该混合容器450包含图1的实施例所描述的三维打印机组件412。因此，参考图1的实施例所给出的关于三维结构打印机组件412的解释也适用于图2的实施例。
如图1所公开的，混合容器450可以替代地用作容纳至少一种预备流体的优选容器。
混合容器450是可灭菌的，并且可以由围以柔性壁的一次性袋(例如
混合容器450的部件可以通过使用经批准的灭菌方法(诸如γ-辐射、高压灭菌、原位蒸汽灭菌或化学杀菌剂(例如环氧乙烷或汽化过氧化氢))来灭菌。
混合容器450包含混合元件456、排气过滤器组件410、入口流体组件402和/或如图1所公开的接种端口428。因此，任何关于图1的排气过滤器组件410、入口流体组件402和接种端口428的信息也适用于图2的实施例，但是生物反应器被混合容器450代替。
混合元件456包括混合轴、叶轮或流体混合装置，其可直接连接到外部电机(未图示)，该外部电机具有密封轴承、轴外壳中的电动机轴伸入到混合容器450中的延伸部、磁耦合器(例如
特别地，混合元件456还包含多个叶轮和叶轮的形状和设计。此外，在混合容器450中可以使用挡板、翅片、叶片或其它元件(未图示)，以促进和/或限制混合容器450内的混合。
在图2中，出口流体组件468在混合容器450的侧壁中，其包含无菌连接器组件，该无菌连接器组件由物理无菌连接器(例如
在混合容器450中，可以在用至少一种预备流体填充混和容器450之前打印三维结构424，该预备流体用于在随后的细胞培养物的繁殖过程中制备三维结构424。或者，预备流体已经存在于混合容器450中，但是被防止进入打印机组件壳体434。含有细胞培养物的生物活性流体可以在制备过程之后由打印机喷头416分配到三维结构424上，其中，生物活性流体可以从生物反应器泵送到混合容器450中。或者，三维结构424可以无菌方式转移到生物反应器。又或者，将制备的三维结构424转移到生物反应器，以无菌的方式(例如转移舱)将细胞培养物接种到三维结构424上。预备流体在混合容器450中混合，以确保均匀性、均质性(homogeneity)和/或非均质性(heterogeneity)。通过浸入缓冲液、介质、化学品(氢氧化钠和其它处理)洗涤剂(十二烷基硫酸钠(sds)、triton-x100洗涤剂、离子型洗涤剂、非离子型洗涤剂、两性离子型洗涤剂和其它洗涤剂)、酶(胰蛋白酶)、受控气体或来自可灭菌混合容器450的其它流体，三维结构424还可以在混合容器450中制备。打印的三维结构424可以无菌地转移到另一个容器中，以进行细胞或生物制品的最终接种。在三维结构424的制备过程已经完成之后，混合容器450可以例如通过出口流体组件468进行排水，且三维结构424可以经由转移舱464移除，该转移舱464在邻近打印机组件412的混合容器450的侧壁中。无菌转移袋(未图示)可以连接到转移舱464，从而使得三维结构424可以被移除并保持在无菌环境中。或者，三维结构424可以在生物安全柜、隔离器或其它环境受控的容器内部移除，以防止污染。
或者，预备流体已经包含在混合容器450中，而打印机组件412打印三维结构424。在此期间，预备流体在混合容器450中的打印机组件壳体434的外部。
在下文中，将更详细地描述三维打印机组件412，其包含在如上所述的生物反应器400或混合容器450中。
图3a-3d从不同的角度图示了三维打印机组件412的实施例。
图3a和3b是三维打印机组件412的等距视图，该三维打印机组件412包括第一打印平台420和第二打印平台422，其上分配有结构材料，以形成三维结构424。如图3a-3d所示，第二打印平台422是圆柱形的，且第一打印平台420形成为环绕第二打印平台422的环。换句话说，打印平台422同轴布置。打印平台420,422一起优选地形成一个打印水平面。打印平台420,422可以是固定的或可旋转的。旋转运动可以沿顺时针方向和/或逆时针方向，优选以变化的速度进行。
或者，只有一个打印平台是圆形或矩形的。进一步可选地，打印平台420,422可以是矩形的并且彼此相邻布置，以形成一个打印水平面。优选地，这种矩形打印平台可以沿着该打印水平面相对于彼此移动。
如图3a和3b所示，第一和第二打印平台420,422由支撑面418包围，该支撑面418形成弯曲臂414的支撑平台，用于将结构材料分配到打印平台420,422上的打印机喷头416附接到该弯曲臂414上。弯曲臂414的横截面形状优选沿其延伸部相同。
弯曲臂414可在如图3a和3c所示的缩回位置和如图3b和3d所示的延伸位置之间移动。为此，支撑面418包括通孔472，弯曲臂414延伸穿过通孔472。特别地，通孔472的形状与弯曲臂414的横截面形状对应，从而使得弯曲臂414能够相对于支撑面418移动。在缩回位置，弯曲臂414的突出于打印机组件412的上侧474的部分小于弯曲臂414的突出于打印机组件412的下侧476的部分。如果弯曲臂414处于延伸位置，则弯曲臂部的突出于打印机组件412的上侧的部分大于弯曲臂414的突出于打印机组件412的下侧476的部分。
用于将结构材料分配到打印平台420,422以形成三维结构424的至少一个打印机喷头416附接到弯曲臂414。优选地，打印机喷头416在弯曲臂414的突出于打印机组件412的上侧474的部分与弯曲臂414附接，从而使得上侧474对应于打印机组件412的打印三维结构424的一侧。图3a-3d图示了仅具有一个打印机喷头416的打印机组件412。然而，可以具有多个打印机喷头416，它们具有相同的或不同的功能。
虽然图3a-3d仅图示了一个附接到弯曲臂414的打印机喷头416，但是也可以将多个打印机喷头416附接到弯曲臂414。此外，应当指出的是，尽管图3a-3d仅图示了一个弯曲臂414，打印机组件412还可以包括多个弯曲臂414。
打印机喷头416包括至少一个分配器470，通过该分配器470，结构材料可分配，其中，分配器470相对于打印机喷头416固定或可移动。分配器470的运动包括枢转运动或在分配器470的缩回位置和伸展位置之间的运动。
具有分配器470的打印机喷头416通过弯曲臂414的运动被移动到打印平台420,422的上方，优选地以刚性方式形成。此外，附接到弯曲臂414的打印机喷头416可以沿着弯曲臂414移动或者可以相对于弯曲臂414枢转，从而使得本发明的打印机组件412覆盖大的分配区域。此外，支撑面418可以是可旋转的。
此外，应当指出的是分配器470不限于分配结构材料。在三维结构424的打印过程之后，打印机喷头416的分配器470也可以例如分配生物活性流体和/或预备流体。生物活性流体和/或预备流体可以包含在同一生物反应器400或混合容器450中，或者以无菌方式由另一生物反应器或混合容器450提供。
图3c和3d为打印机组件412的侧视图。
至少一个导管480延伸穿过弯曲臂414，以将结构材料478从打印机组件412的下侧476引导到打印机喷头416。在打印机组件412的下侧476处提供有给进料组件(未图示)，其与至少一个导管480连接。进料组件包括一个或多个泵，用于将结构材料478朝向打印机喷头416进行泵送。此外，进料组件包括位于打印机组件412的下侧476处的加热元件(未图示)，通过加热元件可加热结构材料478，以便于挤压。或者，如图3d所示，加热元件498设置在打印机喷头416的打印机喷头本体494中。
图3a-3d的实施例包括两个导管480。通过这些导管480之一，加热、冷却和/或温度调节流体496可以循环。因此，打印机喷头416中的结构材料478的温度是可调节的。特别地，温度调节流体496可以在导管480内的闭环中可再循环，并经受加热、冷却和/或温度调节，或者温度调节流体496可以被丢弃且通过开环路径泵入新流体。如果导管480用于分配需要在调节温度下分配的细胞、蛋白质或其它生物/化学材料，其它导管480还有助于调节细胞、蛋白质或其它生物/化学材料的温度，加热、冷却和/或温度调节流体在该其他导管480中循环。
优选地，至少一个导管480由柔性材料形成，以补偿弯曲臂414的任何移动，导管480延伸通过弯曲臂414，和/或补偿附接到弯曲臂414的打印机喷头416的任何移动。
进料组件和导管480也可用于在三维结构424的打印过程之后，将生物活性流体和/或预备流体提供给打印机喷头416。
此外，驱动组件设置在打印机组件的下侧476处，经由驱动组件可驱动至少一个弯曲臂414和/或至少一个打印平台和/或支撑面418。
特别地，如图3c和3d所示，驱动组件包括至少一个臂电机(armmotor)482，以在缩回位置和延伸位置之间移动弯曲臂414。优选地，臂电机482包括一个或多个辊子和/或齿轮，其与弯曲臂414接触。当辊子和/或齿轮由臂电机482驱动时，弯曲臂414朝向期望的方向移动。辊子和/或齿轮的旋转方向限定了弯曲臂414移动的方向。
此外，驱动组件包括用于移动第一打印平台420的第一打印平台电机484和用于移动第二打印平台422的第二打印平台电机486。打印平台电机的类型取决于打印平台的移动方向，即打印平台是否可旋转，或者是否可以沿着限定的方向可移动。打印平台电机的数量取决于由打印平台电机驱动的打印平台的数量。假设打印平台可以沿相同的方向旋转，那么可能只有一个打印平台电机驱动多于一个打印平台。
还可以提供另一个电机来驱动支撑面418，其在图3c和3d中未图示。此外，可以提供用于驱动打印机喷头416中的分配器470的分配器电机490。分配器电机490可以设置在打印机组件的下侧476处，并且可以经由延伸穿过弯曲臂414的驱动元件连接到分配器470。图3d图示了打印机喷头416的横截面，分配器电机490可替代地设置在打印机喷头416的打印机喷头本体494的内部。分配器电机490可以在缩回位置和延伸位置之间移动分配器470和/或驱动分配器470，以进行枢转运动。图3d所示的分配器电机490包括柔性线性驱动接头492，当分配器470在缩回位置和伸展位置之间移动时，该柔性线性驱动接头492膨胀和收缩。
打印机组件的多个可移动元件允许更快和非常精确地打印三维结构424。
进料组件以及驱动组件都是不应该与生物活性流体和/或预备流体接触的敏感元件。当这些组件与生物活性流体和/或预备流体接触时，这些组件可能被损坏，且组件的内部组件的材料可能对生物活性流体和/或预备流体产生负面的影响。此外，传感器(诸如温度传感器、压力传感器或位置传感器)以及称重元件(如测压元件、磅秤或天平)可以加入打印机组件412的下侧476中，称重元件也需要隔离，以防止被生物活性流体和/或预备流体损坏。因此，进料组件和驱动组件设置在打印机组件412的下侧476处和/或进料组件和驱动组件的部件位于弯曲臂414的内部。为了密封打印机组件412的上侧474，从打印机组件412的下侧476可以提供各种密封件488。在三维结构424已经被打印之后，至少一种生物活性流体和/或预备流体出现在上侧474处。密封件488布置成防止朝向打印机组件412的下侧476的任何生物活性流体和/或预备流体泄漏。特别地，密封件488围绕支撑面418中的通孔472，从而使得支撑面418和延伸穿过通孔472的弯曲臂414之间的空间被密封。
另外的密封件488可以设置在相应的打印平台之间和/或在打印平台和周围的支撑面418之间。
打印机组件412的上侧474的部件(例如，打印平台420,422、弯曲臂414和包含在弯曲臂414中并附接到其上的任何部件)可以经由可拆卸的附接装置附接到打印机组件412的下侧476的部件上，例如驱动和进料组件。因此，如果仅有单个组件被损坏或组件仅被构造为一次性使用时，只需要更换打印机组件412的一部分。
导管连接可以采用无菌或预灭菌连接。或者，可以在处理过程中对材料进行灭菌，例如通过利用用于分配的加热元件加热塑料和金属，或通过生物活性流体的无菌过滤。
图4公开了图3a-3d的三维打印机组件412，但是具有三个弯曲臂414和连接到相应弯曲臂414的三个打印机喷头416。弯曲臂414由支撑面418支撑并且延伸穿过相应的通孔472。
打印机喷头416具有所有相同的功能或者可以具有如图4所示的不同的功能。打印机喷头416可以彼此独立地移动。
图5a-5g图示了采用图3a-3d的三维打印机组件412打印三维结构424的过程。或者，也可以使用图4的打印机组件412。
打印机组件412位于打印机组件壳体434的内侧，打印机组件壳体434设置在生物反应器容器430的内部，其在图5a-5g中未图示。
图5a是打印机组件壳体434内部的打印机组件412的侧视图。在该实施例中，打印机组件412的特征是具有分配器470的单个打印机喷头416，该打印机喷头416通过弯曲臂414可以在至少一个打印平台420,422上方移动，该位置为图5a中的缩回位置。
入口流体组件402设置在打印机组件壳体434底部的附近，并且包括至少一个受控入口阀500，该受控入口阀500打开或密封入口流体组件402。受控入口阀500可由电子操作、气动操作、磁力操作和/或机械操作控制，该受控入口阀500打开、关闭和/或控制流入打印机组件壳体434的流体。
出口流体组件468设置在打印机组件壳体434的顶部，且包括至少一个受控出口阀502，该受控出口阀502打开或密封出口流体组件468。受控出口阀502可由电子操作、气动操作、磁力操作和/或机械操作控制，该受控出口阀502打开、关闭和/或控制流出打印机组件壳体434的流体。出口流体组件468包含疏水排气过滤器，优选地为灭菌级疏水排气过滤器。
在打印的三维结构424已经完成且适当地与细胞接种(假定打印机组件包含在生物反应器中)之后，可以打开打印机组件壳体434提取打印的三维结构424。打印机组件壳体434可以手动打开，使其远离密封件(未图示)，并沿着打印机组件壳体434的一端处的铰接接头504的方向提升。特别地，打印机组件壳体434形成为罩子或包括可打开的盖子。
图5b是三维打印机组件412的侧视图，其图示了弯曲臂414在延伸位置且打印机喷头416朝向弯曲臂414的自由端移动，从而使得打印机喷头416位于至少一个打印平台420,422和/或三维结构424的上方。
图5c是三维打印机组件412的侧视图，其图示了三维结构424的打印过程已经完成的状态。弯曲臂414已经移回其缩回位置。受控入口阀500打开，从而允许至少一种生物活性流体填充打印机组件壳体434。受控出口阀502优选地也被打开，以允许排出限制在打印机组件壳体434顶部的空气506并允许打印机组件壳体434完全被填充。
图5d是三维打印机组件412的侧视图，其图示了当打印机组件壳体434填充有生物活性流体508的状态，该生物活性流体508来自用于容纳生物活性流体的容器。在本发明图5a-5g的实施例中，用于容纳生物活性流体的容器是生物反应器。或者，可以使用混合容器。在这种情况下，打印机组件壳体434将填充有至少一种预备流体。生物活性流体(例如，包含在生物活性流体中的细胞)开始接种到三维结构424上。此外，入口流体组件402的入口阀500可处于打开位置，以允许在打印机组件壳体434内部更换生物活性流体508。生物流体508可被动地通过泵送(未图示)、喷雾器(未图示)和/或挡板或翅片(未图示)被混合和/或主动混合，以引导生物活性流体的运动，从而提供适当的营养物质的流入、气体交换和其它条件(温度，ph等)，进而维持打印机组件壳体434中的健康细胞。混合元件可以设置在生物反应器容器430和/或打印机组件壳体434中。在所有或大部分空气被排空之后，出口流体组件468的出口阀门502优选地处于关闭位置。
图5e是三维打印机组件412的侧视图，其填充有气体或空气506，以排空打印机组件壳体434中的所有流体，从而准备提取接种的三维结构424。气体或空气506通过单独的流体入口或通过包含进气端口的打印机喷头416泵送到打印机组件壳体434中，以从打印机组件壳体434中排出生物活性流体。当打印机组件壳体434内部的气体或空气506移动时，入口流体组件402的入口阀500处于打开位置，以允许流体从打印机组件壳体434流出。或者，当经过排水的生物反应容器430到达三维打印机组件412的入口流体组件402的水平时，生物反应器容器430被排水，且打印机组件壳体434被流体排空。
图5f是三维打印机组件412的侧视图，其图示了打印机组件壳体434中没有来自生物反应器容器430的流体，且准备从打印机组件壳体434中提取接种的三维结构424。入口流体组件402的入口阀500被关闭，以防止在提取过程中任何附加流体进入打印机组件壳体434。如果在提取过程中需要将三维结构424浸入液体中，以防止脆弱的细胞死亡，那么三维结构424可以位于至少一个打印平台的顶部或具有围墙的托盘(未示出)的内部。在该步骤中可以进行附加的制备步骤，例如三维结构424的气干和/或用所需材料涂覆。
图5g是三维打印机组件412的侧视图，其图示了打印机组件壳体434中没有来自生物反应器容器430的流体，且从打印机组件壳体434中提取接种的三维结构424。可以手动打开打印机组件壳体434，使其远离密封件(未图示)，并沿着打印机组件壳体434的一端处的铰接接头504的方向提升。三维结构424可以进一步经由转移舱426放置在传送袋(未图示)中，该传送袋与生物反应器容器430连接，以保持无菌性。或者，传送袋(未图示)可以与打印机组件壳体434中的传送舱(未图示)连接。
应当指出的是，图5公开的步骤的顺序是优选的顺序。也可以省略一个或多个步骤或添加一个或多个步骤。这些步骤还可以在多个循环中重复，例如用包含一个序列中的不同细胞类型的生物活性流体填充和对三维打印机组件412进行排水，以将多种细胞类型或生物活性流体接种到三维结构424上。
关于生物反应器400和所含生物活性流体的任何信息也分别适用于混合容器450和预备流体。
图6为三维打印机组件412的侧视图，如前面讨论的任一图解释的。此外，三维打印机组件412具有存储容器512，该存储容器512位于打印机组件412的下面。当打开打印机组件壳体434时，打印机组件壳体434可以至少部分地进入存储容器512。存储容器512还可以收集从打印机组件412的密封件中泄漏的任何流体。该流体可以使用排水口转移到一个或多个存储罐、存储袋和/或存储容器中，从而使流体被引导到远离打印机组件412的下侧476处的敏感部件。
储存罐、储存袋和/储存或容器包含排气过滤器，且储存罐、储存袋和/储存或容器与打印机组件壳体434可无菌连接和/或从打印机组件壳体434移除。
如图6所示，打印机组件壳体434包括罩子。通过罩子电子514，罩子可朝向存储容器512移动，该罩体电机514可替代铰链接头504。
如图7a和7b所示，罩子形成为刚性元件或者由多个打开时以套叠方式彼此重叠的元件形成。图7a图示了打印机组件容器434的罩子处于关闭位置，且图7b图示了当罩子的元件彼此至少部分重叠时，罩子在打开位置。为了打开多个元件，优选地设置罩体电机514。
图8a-8d为三维打印机组件412的另一实施例的上侧474的等距视图，其中，至少一个打印平台具有多个孔516。然而，打印机组件壳体434被省略。
如图8a所示，第二打印平台422具有多个孔516。孔516的尺寸和形状和/或孔516所在的区域可以变化。虽然未图示，但是第一打印平台420也可能设有孔516。特别地，设置孔516的孔区域518通常取决于三维结构424所在的区域。孔516基本上至少部分地与三维结构424重叠。
在三维结构424的打印过程中，孔516处于密封状态。
图8b图示了处于打开状态的孔516，并允许压缩气体520以规定的压力和体积流过孔516。通过释放压缩气体520使其通过第二打印平台422，以在打印三维结构424内产生内部路径。
图8c图示了打印组件412，其中，孔516在三维结构424的打印过程期间处于关闭状态。在当前情况下，三维结构由一种软质材料或多种软质材料制成，例如凝胶复合物或细胞外基质(extracellularmatrix)，其可以被压缩气体520的力推开和/或侵蚀。
图8d图示了压缩气体520已经流过三维结构424之后的打印组件412。在压缩气体520的处理期间，三维结构424通过也位于第二打印平台422上的真空密封件(未图示)保持在适当位置。三维结构可选地和/或另外地可采用附接机构、保持机构、位于三维结构424顶部的压缩机构、进入三维结构424中的长钉或支撑件或其它机构保持在适当的位置，以在压缩气体520的处理期间将三维结构424保持在适当的位置。
由于压缩气体520的处理，形成在三维结构424内部的通道可用于增加细胞粘附的表面积、允许这些细胞的流体、气体和营养物质交换、且用于创建内部网络，以促进三维结构424内部的细胞生长。通道的形状、尺寸、频率、图案和进入三维结构424的深度可以通过经调节的压缩气体520来控制，以为三维结构424提供最佳的接种和生长。
替代地，压缩气体520用于对密封的打印机组件壳体434加压并且用气体使三维结构424过饱和。气体(优选地为二氧化碳或氮气)以高浓度溶解在三维结构424的液体内容物中，例如凝胶或更软的多孔材料。在压缩气体520的压力的作用下使三维结构424过饱和之后，从打印机组件壳体434移除压力，以允许三维结构424中的已溶解的气体排出到环境中并形成多孔通道网络，以促进细胞生长和流体交换。
替代地或另外地，三维结构424中的通道由延伸穿过孔516的一个或多个穿刺工具(puncturingtool)形成。当孔516处于打开状态时，穿刺工具以调节的力和高度上升穿过孔516。穿刺工具具有固定的尺寸和形状，其可以从较短长度伸缩到更长的长度，且具有从主穿刺工具退出的多重工具形状(subtoolshape)，和/或包含压缩气体和/或流体可以通过的通道。
直的穿刺工具可以是可在三维结构424中形成通道的管、轴或针，其可移除管道中的一部分三维结构424，或者对一部分三维结构424抽真空。柔性穿刺工具在拉力的作用下为柔韧的和弯曲的，且在三维结构424内部中产生非线性通道。具有弯曲部的穿刺工具可在三维结构424的内部提供更宽的通道。矩形穿刺工具可以将一部分三维结构424从三维结构424的另一端推出，以形成完整的流动路径。直的穿刺工具可以刀片，其穿透三维结构424，形成通道。压缩气体/流体穿刺工具可以插入三维结构424的表面且通过压缩气体和/或流体介质使通道膨胀，该压缩气体和/或流体介质溶解或侵蚀三维结构424的内部，以产生通道图案。具有气囊导管(ballooncatheter)的穿刺工具可以通过在压缩气体或流体压力的作用下膨胀气囊，以在三维结构424中产生空腔和/或空隙。在气囊已经放气且穿刺工具已经被移除之后，具有气囊导管的穿刺工具还可以采用支架(stent)以保持通道路径打开。具有多个气囊导管的穿刺工具可以以各种形状和图案在三维结构424中产生腔和/或空隙。在插入到三维结构424之后，具有次级多重工具突起(subtoolprotrusion)的穿刺工具具有多个由主穿刺工具产生的次级形状、图案和设计。次级子工具突起具有固定尺寸和形状，且可以从较短的长度伸缩至较长的长度并包含供压缩气体和/或流体通过的内通道。在插入三维结构424之后，具有多台阶多重工具突起的穿刺工具具有由主穿刺工具产生的多个二级和三级等其它等级的形状、图案和设计。
另外可替代地或另外地，一个或多个保持器可以设置在打印机组件412的支撑面418上。保持器面向三维结构424的表面包括多个孔516，压缩气体520可以流过该孔516，和/或使用多个穿刺工具以在三维结构424中形成通道。孔516的尺寸和形状可以变化。孔516可以处于密封状态或者可以在三维结构424的打印过程中保持打开。
图9a-9d图示了具有膜分配器522(membranedispenser)的打印机组件412的另一实施例。
图9a图示了如图3a-3d所示的打印机组件412。如图9a-9d所示，至少一个膜分配器522设置在第一打印平台420上，或者设置在支撑面418上。膜分配器522优选地具有用于切割膜的膜切割器524。
图9a图示了当打印机喷头416打印三维结构424时的状态。
图9b图示了当膜分配器522将第一膜526分配到三维结构424上方的指定位置时的状态。
图9c图示了在第一膜526被分配到三维结构424上方的位置且第一膜526变成三维机构424的一部分时，膜切割器524切断第一膜526时的状态。
图9d图示了当三维结构424的第二部分528被打印在第一膜526上的状态。在被膜切割器524切割之前，膜分配器522将第二膜530分配到在三维结构424的第二部分528上方的指定位置。
三维结构中的层数不限于特定数目。图9a-9d仅示例性地图示了膜的层数为两层。
替代的或另外的膜，膜分配器522可以分配一层或多层羊毛、海绵和/或薄膜。任何分配的材料可以是亲水的和/或疏水的，且可以由快速溶解的材料(例如亲水性聚合物)、缓慢溶解的材料(如可以随时间被结构吸收的纤维素)或者不可溶的材料(如聚丙烯羊毛或聚醚砜膜)组成。这些材料可在三维结构424中产生内部路径和支架，以在三维结构424中发生细胞、流体、气体和营养物质交换。这些材料额外地包括基于材料的营养物质，该材料随着时间被生长在三维结构424上的三维对象吸收。可完全利用膜、羊毛层、海绵和薄膜，或者只有这些构造物中的一小部分可混合到三维结构424中。
另外可替代地或另外地，膜分配器522可以分配形状记忆聚合物(smp)、形状记忆合金和/或冷休眠式弹性记忆(chem)泡沫。这些材料可以根据外部因素(诸如温度、ph值、光、电)或其它因素改变其形状、尺寸和/或位置。材料可以喷涂到三维结构424上、直接打印在三维结构424上、借助背衬(backing)分配到三维结构424上、或者与沉积在三维结构424上的另一种材料混合。
优选地，形成三维结构424的方法还包括将致密材料打印到三维结构424中的步骤，该步骤可以防止三维结构424在用流体填充物后在生物反应器容器430或混合容器450内漂浮。
致密材料包括重物、低熔点金属或比流体材料重的其它材料，以防止三维结构424在流体填充或混合/搅拌期间移动。致密材料的打印可以发生在打印到打印平台上的初始基底结构上，该打印平台用作打印在基底结构顶部上的三维结构424的锚固件。在打印过程结束且在将三维结构424从生物反应器容器430或混合容器450中移除时，该初始结构化重质基底可以从三维结构424的期望部分分离和移除。
优选地，形成三维结构424的方法还包括提供附接或保持机构的步骤，以将三维结构424固定到至少一个打印平台420,422上并防止其在流体填充或混合/搅拌期间移动。附接或保持机构包括夹具、盖子或保持件，其在打印完成之后且在流体填充生物反应器容器430或混合容器450之前完全或部分覆盖三维结构424。夹具由定位在三维结构424的顶部或侧面上的多个平板、梁或杆构成。保持件还另外地由在至少一个打印平台420,422上的l型、t型、s型、c型或其它类型的支架构成，该保持件可延伸、铰接或旋转到完全或部分覆盖三维结构424的位置。夹具替代地可由在延伸位置上的至少一个打印机喷头416提供，该打印机喷头416可接触三维结构的顶部且将其保持在至少一个打印平台420，422上的适当位置。三维结构424可以被设计成与平坦表面结合，以使夹持机构更容易夹紧或固定其上。来自打印机组件412的顶部的移动面板可以在打印过程完成之后移动到位，以保持三维结构424的顶部并施加压力以将其固定到打印平台420,422上。或者，来自打印平台420、422的真空源可提供抽吸，以将三维结构424固定到打印平台420,422。
在替代实施例中，熔融材料(例如塑料(pla，abs，聚丙烯等))的粘附或从打印机喷头46挤压到打印平台420,422上的熔融金属的粘附可以形成牢固的粘结。借助凹槽、波纹、凸起或其它结构改变打印平台420，422的表面，因而可利用该性质。该凹槽、波纹、凸起或其它结构可增加表面面积并促进挤出材料的固定，从而防止三维结构424移动。另外，打印平台420,422上设有单个或多个结构(例如锥体或具有比基底、钩子、尖钉、树状物或其它结构更宽的头部的结构，或者要么在打印过程中打印在挤出材料顶部或在打印完成之后施加到三维结构424中的其它结构)。在这两种情况下，挤出材料的基底可以将三维结构424固定到打印平台420,422上。在打印过程结束时且在将三维结构424从生物反应器容器430或混合容器移除期间，固定在打印平台420,422上的初始基底可以从三维结构424的期望部分分离和移除。
优选地，形成三维结构424的方法还包括将三维结构424束缚在至少一个打印平台420,422上的步骤。可以采用绳索、绳子、带子、链条或其它固定股线(securingstrands)固定，以将三维结构保持在打印平台420,422的适当位置。或者，固定股线可用于将三维结构424束缚到打印平台420,422上，以允许其在反应器容器430或混合容器450中漂浮，从而使暴露给生物活性流体和/或预备流体的表面面积最大化，而不使其移动至远离打印平台420,422或者被强烈搅拌或混合机构损坏。固定股线在打印平台420,422上是可用的且可被打印到三维结构424中，它们可由三维打印机组件412打印成固定机构，例如箍或环，或者它们可以在打印过程之后通过替代的机械机构添加。束缚的长度可以由三维结构424的目的和要求确定。
通过用低密度的材料(特别是密度比填充生物反应器容器430或混合容器450的流体的密度小的材料)打印、添加外部结构(例如泡沫、填充气体的气囊、囊状物或其它结构)、或者在三维结构424内打印空隙或其它浮力结构以及在三维结构424中填充比填充在生物反应器容器430或混合容器450中的流体密度低的气体或流体可促进三维结构424的漂浮。
优选地，形成三维结构424的方法还包括分配结构流体、预备流体和/或生物活性流体的步骤，同时三维结构424部分或完全浸没在包含在生物反应器容器430或混合容器450中的流体中。当结构424被浸没时，打印机喷头416可以主动地将相应的流体分配或泵送到打印机组件412上的三维结构424中。打印机喷头416优先地分配比填充流体更致密的流体，例如可以涂覆三维结构424的凝胶或致密颗粒。这些凝胶和颗粒携带富含营养的材料，富含营养的材料可优选地帮助细胞粘附在部分三维结构424或整个三维结构424上并促进细胞在部分三维结构424或整个三维结构424上生长。另外地，打印机喷头416可分配与溶液混合材料(例如为较轻的颗粒、化学品)，以调节ph值或者其它测量条件，或者可分配生物活性流体。另外地或可替代地，来自打印机喷头416的压缩空气或压缩气体可注入到三维结构424中或打印机组件壳体434中。
优选地，形成三维结构424的方法还包括使用位于至少一个打印平台420,422上的分配组件将材料分配到指定位置的步骤，该分配组件可以分配来自驱动组件的材料。分配组件可以在静止位置固定到打印平台420,422上，或者可以随着一个或多个打印平台420,422的定位或旋转而移动。位于打印机组件412内的分配组件结构可以延伸、铰接、弯曲或旋转到三维结构424上方的合适位置，以适当地定位被分配的材料，该分配的材料可以包括但不限于膜、羊毛、海绵、薄膜或形状记忆聚合物。这些材料被添加到三维结构424中，以通过增加营养物质和气体的可用性、循环和交换以及移除与三维结构424内部的支持细胞群有关的废物来促进细胞的生长和贴附。分配的材料可以由位于分配组件上的切割组件切割。分配组件的内部件可以连接到驱动组件，材料可以通过导管供给到内部件中且该内部件由电机机构驱动，例如利用打印纸的卷绕。放置在驱动组件内的材料可以使用经批准的灭菌方法进行预灭菌，该灭菌方法可以与用于容器组件、打印组件或驱动组件的方法分开。可以进行无菌连接，以将材料从驱动组件传送到分配组件的进料组件。
优选地，形成三维结构424的方法还包括采用位于至少一个打印平台420,422上的分配组件将电子材料分配到指定位置的步骤，该分配组件可以分配来自驱动组件的材料。该组件可以采用与其分配膜和羊毛的方式相同的方式分配电子部件和材料。分配到三维结构424中的电子材料包括但是不限于传感器、电路板、处理器、电池、显示器、网络或通信装置或其它电子装置。电子材料分配组件的内部件可以连接到驱动组件，材料可通过导管供给该内部件并由电机机构驱动。区别在于电子组件对某些灭菌方法敏感，例如γ照射或热处理。利用批准的灭菌方法(例如化学灭菌)对在驱动组件中的电子材料进行预灭菌，该灭菌方法可与用于容器组件、打印组件或驱动组件的方法分开。可以进行无菌连接，以将材料从驱动组件传输到分配组件的进料组件。
优选地，打印机组件壳体434包括至少一个位置传感器，该位置传感器用于自动校准与打印平台420,422有关的打印机喷头416。由于打印机组件周围的外壳以及通过经批准的灭菌方法进行预灭菌，难以手动校准打印机喷头416相对于打印平台420,422的位置以确保三维结构424的精确打印。因此，优选地，相对于打印平台420,422，自动校准打印机喷头416。在us20150035206a1“一次性使用生物三维打印机”描述了采用激光或光定位发射材料或采用相机阵列定位目标的方法。这里描述的方法利用了在打印平台420,422内的、打印平台420,422顶部的、打印平台正下方的多个位置传感器。这些位置传感器由rfid标签、nfc标签、电子条纹、磁体或其它位置标签组成，该标签可提供具有位置信息的传感装置。传感器可以附加地或替代地为视觉标记，例如增强现实标记或目标。在传感器位于打印平台420,422下方的情况下，这些传感器为一次性且可以与组件一起处理或者为多用途。优选地，检测装置位于打印机喷头部416内，该打印机喷头416可以被延伸并移动到达打印平台420,422上的所有位置。在视觉标记的实施例中，检测装置是相机装置，优选地为可以确定已知尺寸的标记或目标的位置和角度的摄像机装置。在打印前、在打印中或在打印结束后，这可以用于自动校准打印机喷头416到打印平台420,422的位置。
优选地，打印机组件412包括至少一个视觉传感装置，该视觉传感装置用于检测打印平台420,422上的视觉标记、目标或位置标签。优选地，照相机(优选地为摄像机)优选地位于打印机喷头416上。照相机优选地包含可调透镜，该可调透镜可在打印机平台420,422和打印机喷头416之间的不同距离处自动聚焦在视觉标记上。照相机包含灯(例如led灯)，以观察在黑暗的外壳中(例如在袋体保持器或不锈钢生物反应器本体内)的打印平台420,422。照相机还可用于确定三维结构424的打印精度，且如果结构有缺陷或者自动校正不正确，可以停止打印过程。可包含微距镜和/或显微镜，以确定结构的打印细节和质量和/或使三维结构424上的细胞生长可视化。在结构浸没在流体中之后，含有灯的照相机可以对三维结构424进行成像。照相机可以附加地或替代地用于确定作为ph值或其它可测量值的指标的流体介质中的铬染料的颜色，或者确定美国专利usus8982156b2“组装方法、操作方法、增强现实系统和计算机程序产品”所述的在腔体内是否存在污染物。
优选地，打印机组件412包括位于打印平台420,422上的至少一个传感装置和/或用于检测可测量变量的打印机喷头416。这些传感器由温度传感器、电阻式温度检测器(rtd)、ph传感器、溶解氧传感器或用于提供与打印机组件412和/或容器430,450的内部相关的信息的其它类型的传感器组成。传感器可以是打印机组件412或驱动组件内的一次性部件，或者是驱动组件内多用途部件，该多用途部件或一次性部件免受容器外壳中的生物活性流体的损害。传感器可以传输来自有线的或无线连接的数据。来自传感器的有线电缆可以经由定位通过导管的缆线将数据传输给驱动组件，该导管与打印机组件412、打印机喷头416和打印平台420,422连接。来自传感器的数据可以连接到打印机组件412、容器控制单元、外部无线设备、内部网络或外部云网络。
优选地，打印机组件412包括位于打印平台420,422上的至少一个称重传感器和/或称重装置，以在打印过程中检测三维结构424的重量。称重传感器和/或重量传感器可以在打印过程中，根据从打印机喷头416沉积的材料的量，确定打印结构424的准确性。称重传感器和/或重量传感器还可以在添加生物活性流体之前确定三维结构的重量，并在已经从容器430中移除流体之后并在生物材料或细胞已经沉积在结构424上之后确定结构424的重量。可以以固定的临时间隔对打印组件外壳进行排水，以根据测量的来自称重传感器和/或重量传感器的增加的重量，确定三维结构424上的生物生长的速率和趋势。
优选地，容器430,450包括位于容器430,450外部的至少一个称重传感器和/或称重装置。称重传感器和/或重量传感器可以确定添加到容器430,450的生物活性流体和/或预备流体的重量以及测量打印过程中的三维结构424。称重传感器和/或重量传感器可以确定添加到容器430,450中的生物活性流体和/或预备流体的重量，以调节适当的填充体积。称重传感器和/或称重装置还可以在添加生物活性流体和/或预备流体之前确定三维结构424的重量，以及已经从容器430中移除流体之后并在生物材料或细胞已经沉积在结构上之后确定结构424的重量。可以以固定的临时间隔对打印组件外壳434进行排水，以根据整个容器的外部重量测量，确定三维结构424上的生物生长的速率和趋势。
优选地，打印机组件412包括至少一个在打印机喷头416中的分配器470，该分配器470可以在至少一个方向上铰接。分配器470可以在至少一个方向上铰接、弯曲或移动，以为三维结构424的打印过程提供额外的自由度。分配器470可以沿着单个平面枢转或者可以在球头(balljoint)上旋转，以在多个平面内铰接。分配器圆筒可以沿着垂直轴线向上或向下移动，以延长或缩小到打印平台420,422和/或三维结构424的长度和距离。打印机喷头圆筒可以利用线性致动器、轨道或螺杆在垂直轴线内移动。在螺杆的实施例中，打印机喷头圆筒的长度可以基于螺杆的螺旋运动而延长或缩小。基于弯曲臂414、打印机喷头416、打印平台420,422和分配器470的组合运动，所述打印组件412可以执行三维结构424的多轴打印。
优选地，容器包括转移舱，三维结构424可以从打印机组件412无菌地移除，或者外部组件可以无菌地插入容器中并放置在打印平台420,422上。转移舱可以连接到无菌转移袋，当三维结构424或外部组件移动到打印机组件412中或移动到打印机组件412的外部时，可将三维结构424或外部部件放置到该无菌转移袋中。操作者可以抓住转移袋的外部部分并将其倒置，以抓住物体并将其从容器移动到传送袋中或从传送袋移动到容器中。在其它实施例中，转移袋包含手套元件(glovedelement)，操作者可以将他们的手放置在该手套元件中，以轻轻地转移目标。在替代实施例中，操作者可以使用集成到传送袋中的抓取机械手工具。传送袋可以通过γ照射、高压灭菌、化学杀菌剂或其它经过验证的灭菌程序进行灭菌。转移舱可替代地连接到隔离器或手套箱，以将物体传送到打印组件和/或容器中。
应当指出的是，虽然本发明描述了各种实施例，但是这些实施例可以组合。
标号列表
400生物反应器
402入口流体组件
404入口连接器组件
406入口过滤器
408入口组件
410排气过滤器组件
412三维打印机组件
414弯曲臂
416打印机喷头
420第一打印平台
418支撑面
422第二打印平台
424三维结构
426转移舱
428接种端口
430生物反应器容器
432排气管
434打印机组件壳体
450混合容器
456混合元件
464转移舱
468出口流体组件
470分配器
472通孔
474打印机组件的上侧
476打印机组件的下侧
478结构材料
480导管
482臂电机
484第一打印平台电机
486第二打印平台电机
488密封件
490分配器电机
492驱动接头
494打印机喷头本体
496温度调节流体
498加热元件
500入口阀
502出口阀
504铰接接头
506空气
508生物活性流体
510细胞
512存储容器
514罩体电机
516孔
518孔区域
520压缩气体
522膜分配器
524膜切割器
526第一膜
528三维结构的第二部分
530第二膜
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