通过光学调制不稳定性制造对齐结构的系统和方法与流程

1.本发明涉及一种通过利用光聚合诱导的光学调制不稳定性用光源改变光响应材料的材料相来制造由高度对齐的微丝制成的一维、二维或三维物体的方法和设备。具体地，本发明涉及生物制造应用，其中，生物制造物体局部地需要高度对齐的结构来引导细胞生长或功能。

背景技术：

0、2.背景技术

1、在组织工程或再生医学中，生产具有局部对齐的微架构的二维或三维物体对于重现生物功能至关重要。通过创建功能组织或器官模型，重现生物功能将有利于药物开发和整个制药行业。此外，作为高性能生物材料和纺织品的基石之一的纤维素纳米纤维领域的不断发展也将受益于用于生产高度对齐的微结构的工业适用工具。

2、静电纺丝、熔融电写入和微挤出是现有的创建对齐的纳米丝和微丝的方法和系统。虽然静电纺丝和熔融电写入可用于直接写入由直径范围为<100nm至500μm的纤维制成的2d和3d编织结构，但这些技术并不适用于生物制造，因为它们使用的溶剂和高电压对细胞活力有害(toby d.brown,paul d.dalton,dietmar w.hutmacher,meltelectrospinning today:an opportune time for an emerging polymer process,progress in polymer science,volume 56,2016)。这些技术也很难扩展。由于目前的纤维生产率为每分钟米量级，它们几乎没有工业实用性，并且仅限于研究目的。

3、微挤出已在不同的实施例(wo 2015/017421 a2、us-2016/0288414 a1、us-9,433,969 b2、ep-2 969 488 b1)中被用于制造由微米纤维制成的二维和三维物体。通过喷嘴挤出会在挤出材料上产生剪切应力，从而降低细胞活力。出于同样的原因，将细胞接种到直径与细胞尺寸范围相同(5-20μm)的挤出纤维中是不切实际的。因此，在提供有效的细胞引导所必需的尺度上的接种有细胞的物体的微观构造是受限的。尽管最近关于微区室化的工作(samandari et al.,controlling cellular organization in bioprinting throughdesigned 3d microcompartmentalization,applied physics reviews 8,021404(2021))证明了挤出由高度对齐的微纤维组成的丝的可能性，但该实施例并没有提供动态控制此类微纤维的几何形状和重新分配的手段。

4、光学调制不稳定性的特征是均匀光束自发分解成更小的光束(biria etal.,coupling nonlinear optical waves to photoreactive and phase-separating softmatter:current status and perspectives,chaos 27,104611(2017))。这种现象发生在表现出非线性响应的材料中，其中，光束的噪声被材料的非线性局部放大。当携带噪声的光束在自聚焦介质中传播时，它在强度略高的区域中会经历略高的折射率。当光传播时，折射率较高的区域会吸引附近更多的光，并产生更高的折射率，从而吸引更多的光。如果这种通过正反馈产生的自聚焦效应强于光束的衍射效应，则光开始局部化。这种更局部化的光会导致衍射效应增强。当最终衍射足以平衡自聚焦时，调制不稳定性的几何形状即被确定，并且形成调制不稳定性模式。

5、诸如光聚合物树脂的光响应材料本质上具有集成的非线性行为，因为它们的折射率在光固化期间增加。因此，当用均匀且部分相干的光束曝光时，光聚合物将在较高强度的局部区域更快地固化，从而局部地创建较高折射率的芯，这导致光学自捕获并形成高度对齐的微米丝。

6、空间掩模用于微制造的各种实施例(us 8,435,438 b1；kim,one-step3dmicrofabrication of high-resolution,high-aspect-ratio micropillar arrays forsoft artificial axons by using light-induced self-focusingphotopolymerization,j.korean soc.precis.eng.,36,4,425-429)，利用光响应材料中的光学调制不稳定性来避免部分空间相干光束的需求。

7、尽管光学调制不稳定性具有生产微结构物体的潜力，但迄今为止它的应用有限，因为所生产的结构的尺寸仅限于毫米范围且结构简单(ponte etal.,self-organizedlattices of nonlinear optochemical waves in photopolymerizable fluids:thespontaneous emergence of 3-d order in aweakly correlated system,j.phys.chem.lett.,2018,9,1146-1155)。

8、因此，需要一种工业适用的系统来生产具有局部高度对齐的微架构的物体。

技术实现思路

1、本发明克服了用于生产具有局部高度对齐的微架构的物体的方法和系统的所有先前缺点。

2、本文公开的发明提供了一种生产一维、二维或三维物体的方法和基于光的系统，所述物体由具有可调直径、可调交联度的任意长度的高度对齐的光聚合物微丝制成，并且组装成可调形状的束。

3、因此，本发明提供了一种制造具有至少一个维度并由高度对齐的结构微丝制成的结构的方法，所述方法包括：

4、a)在优选为喷嘴的挤出单元中或在光学透明容器中提供光响应材料，所述光响应材料能够在被一个或多个波长的光照射时改变其材料相；

5、b)优选地在所述光响应材料通过所述挤出单元挤出的同时，用能够发射一个或多个波长的光的一个或多个光源照射所述光响应材料，所述一个或多个光源中的至少一个能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性，从而在所述光响应材料中创建光学调制不稳定性，从而形成微图案化丝；

6、c)优选地通过沉积或顺序固化，由所形成的所述微图案化丝形成具有至少一个维度并由高度对齐的结构微丝制成的结构。

7、在一个优选的实施例中，所述方法包括以下步骤：

8、a)提供能够在被一个或多个波长的光照射时改变其材料相的光响应材料；

9、b)提供能够发射具有一个或多个波长的光的空间图案的一个或多个投影单元，空间光图案的所述投影单元中的至少一个能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性；

10、c)提供优选为喷嘴的挤出单元以沉积所述光响应材料；

11、d)可选地，提供用于嵌入式打印所述结构的支撑材料，其中，所述支撑材料为宾汉塑料材料；

12、e)计算所述一个或多个投影单元中的至少一个的投影序列，所述投影序列描述所述结构的微结构部件；

13、f)使用所述投影序列定义光图案的序列；

14、g)通过优选为所述喷嘴的所述挤出单元挤出所述光响应材料，并且同时用来自所述一个或多个投影单元的所述光图案的序列照射所述光响应材料，从而在挤出的所述光响应材料中产生图案化光学调制不稳定性，从而形成微图案化丝；

15、h)同时沉积所形成的微图案化丝以形成制造的结构，可选地在所述支撑材料中执行所述沉积，从而制造由高度对齐的结构微部件制成的所述结构；

16、i)可选地移除所述支撑材料以从所述支撑材料释放制造的所述结构。

17、在一个优选实施例中，本发明的方法包括以下用于生产多材料结构的另外的步骤：

18、-提供另一种光响应材料，其能够在被一个或多个波长的光照射时改变

19、其材料相；

20、-用上述方法中的所述另一种光响应材料重复步骤a)至b)，直到产生所述多材料结构。

21、根据另一个实施例，本发明提供了另一种用于制造具有至少一个维度并具有高度对齐的结构微部件的结构的方法，所述方法包括：

22、a)提供包含光响应材料的光学透明容器，光响应材料能够在被一个或多个波长的光照射时改变其材料相；

23、b)提供能够发射具有一个或多个波长的光的空间图案的一个或多个、优选地至少两个投影单元，空间光图案的所述一个或多个投影单元中的至少一个能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性；

24、c)计算描述待制造的结构的不同层的所述一个或多个投影单元中的至少一个、优选地每一个的投影序列；

25、d)使用计算的所述投影序列定义所述一个或多个投影单元中的至少一个的光图案的序列；

26、e)根据定义的顺序用所述光图案照射所述光响应材料，从而顺序地生成具有光学调制不稳定性的结构的层，从而顺序地固化所述结构的层，所述层由通过所述光学调制不稳定性生成的高度对齐的微丝组成，从而制造由高度对齐的结构微丝制成的所述结构。

27、在另一个优选的实施例中，上述方法包括以下用于生产多材料结构的另外的步骤：

28、-移除所述光响应材料的未固化部分，并且将制造的所述结构浸入所述

29、光学容器中的另一种光响应材料中；

30、-重复上述方法的步骤c)至f)，直到产生所述多材料结构。

31、在本发明的所述方法的另一个优选实施例中，所述光学容器和所述一个或多个投影单元中的至少一个的相对位置能够在所述光学容器的所述照射的同时被致动和控制。

32、根据另一个实施例，本发明提供了另一种用于制造具有至少一个维度并具有高度对齐的结构微部件的结构的方法，所述方法包括：

33、a)提供优选为透明模具的包含光响应材料的光学透明容器，光响应材料能够在被一个或多个波长的光照射时改变其材料相；

34、b)提供能够发射具有一个或多个波长的光的一个或多个、优选地至少两个光源，所述一个或多个光源中的至少一个能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性；

35、c)用能够发射一个或多个波长的光的所述一个或多个光源照射所述光响应材料，所述一个或多个光源中的至少一个能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性，从而在所述光响应材料中创建光学调制不稳定性，从而形成由高度对齐的结构微部件制成的模制结构；

36、d)可选地，从所述光学透明容器移除所述结构。

37、在另一个优选的实施例中，上述方法包括以下用于生产多材料结构的另外的步骤：

38、-移除所述光响应材料的未固化部分，并且将制造的所述结构浸入所述

39、光学容器中的另一种光响应材料中；

40、-重复上述方法的步骤c)，直到产生所述多材料结构。

41、在本发明的所述方法的另一个优选实施例中，所述光学容器和所述一个或多个投影单元中的至少一个的相对位置能够在所述光学容器的所述照射的同时被致动和控制。

42、在本发明的另一个实施例中，所述一个或多个光源或所述一个或多个投影单元中的至少一个的空间相干性能够在所述照射的同时被控制和致动，从而修改所形成的所述丝上的所述微图案的尺寸。

43、此外，本发明提供了一种用于制造具有至少一个维度并由高度对齐的结构微部件制成的结构的系统，所述系统包括：

44、a)光响应材料能够在其中被照射的单元，所述单元选自由优选为喷嘴的挤出单元和光学透明容器组成的组；

45、b)优选为投影单元的一个或多个光源，能够将一个或多个波长的光发射到所述单元中，其中，所述一个或多个光源中的至少一个被配置为发射能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性的光；

46、c)用于控制所述一个或多个光源的器件，所述器件被配置为使得从所述光源中的至少一个发射能够在所述光响应材料中产生光学调制不稳定性的光；

47、d)可选地，用于控制所述光响应材料通过优选为喷嘴的所述挤出单元的挤出的器件；

48、e)可选地，支撑件(30,41)，所述支撑件(30,41)选自由打印床(30)和容器(41)组成的组；

49、f)可选地，用于控制优选为喷嘴的所述挤出单元和所述支撑件(30,41)的相对空间位置的器件；

50、g)可选地，用于致动和控制所述光学透明容器和所述一个或多个光源的相对空间位置的器件，优选投影单元；

51、h)可选地，用于控制所述一个或多个光源的空间相干性的器件；

52、i)可选地，用于将来自所述一个或多个光源的光朝向优选为喷嘴的所述挤出单元引导的器件。

53、在本发明的另一个实施例中，所述一个或多个投影单元包括能够发射一个或多个波长的光的光源，以及空间光调制器、数字微镜装置、检流计式扫描振镜、声光偏转器、透镜、多模光纤或多模光纤束中的至少一个。

54、在本发明的另一个实施例中，所述一个或多个光源中的至少一个空间相干，并且光束参数乘积小于400μm.rad，优选地小于100μm.rad，最优选地小于50μm.rad。

55、在本发明的另一个实施例中，所述一个或多个投影单元中的至少一个被配置为用光片照射所述光学透明容器。

56、在本发明的另一个实施例中，所述光响应材料接种有细胞。