ES2236009T3 - Procedimiento para la produccion de objetos tridimensionales. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la producción de un objeto tridimensional con: - puesta a disposición de un medio (2) no gaseoso en un recipiente (1) - posicionamiento de una abertura de salida (5) de un dispensador (4) móvil tridimensional en el medio (2), - suministro de un material (3) compuesto de uno o varios componentes a través del dispensador (4) al medio (2) y - desplazamiento del dispensador (4) hasta los puntos correspondientes al objeto tridimensional, para formar una estructura tridimensional sólida, caracterizado porque el material (3) conduce a la formación de estructuras sólidas sin irradiación después de ser introducido en el medio (2) debido al contacto con el medio.

Description

Procedimiento para la producción de objetos tridimensionales.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de un objeto tridimensional según el preámbulo de la reivindicación 1, un dispositivo para la realización del procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 24 así como la utilización de substancias biológicas o farmacéuticas activas en este procedimiento y/o en este dispositivo.

Se conoce el método de producir objetos tridimensionales por capas partiendo de un modelo CAD del objeto. En el procedimiento conocido de la estereolitografía se polimerizan monómeros en presencia de fotoiniciadores mediante rayos Láser. Como materiales son adecuados, sin embargo, solamente un número limitado de tipos de monómeros. En la tecnología de impresión en 3D se aplica la técnica de chorro de tinta para ligar partículas de polvo mediante adhesivos en la correspondiente capa en los puntos correspondientes a la sección transversal del objeto. Esta tecnología, igual que la estereolitografía, requiere, sin embargo, un postratamiento de la pieza en bruto obtenida.

Además, para la formación de objetos tridimensionales con resaltes, protuberancias y concavidades son necesarias estructuras soporte para evitar deformaciones o roturas del objeto tridimensional.

Otra técnica para generar modelos tridimensionales es la sinterización selectiva por Láser. Aquí se aplica por capas un material en forma de polvo y la capa de polvo superior es irradiada en cada caso en los puntos correspondientes a la sección transversal del modelo. El polvo se funde o sinteriza en este punto por el aporte energético del Láser. La carga térmica del material, sin embargo, es muy alta de manera que se destruyen polímeros sensibles. No es posible una incorporación de componentes biológicos, como por ejemplo células o proteínas. ni la generación de hidrogeles.

La WO 95/11007 A se refiere a la producción de dispositivos médicos mediante métodos de producción de formas libres sólidas como la estereolitografía, la sinterización selectiva por Láser, la producción balística de partículas, la formación por precipitación de fusión y la impresión tridimensional.

La US-A-5 653 925 se refiere a un procedimiento para el ajuste de la porosidad de un modelo tridimensional.

La FR-A-2 254 194 describe un procedimiento para producir suspensiones fluidas estéticas en el que se forman las conformaciones estéticas de un material en forma de gel teñido y, en caso dado, con burbujitas mediante una inyección en una masa de otro material en forma de gel incoloro. La estabilidad de forma de la conformación estética se consigue por las consistencias del material de los correspondientes materiales en forma de gel utilizados.

Según la DE-A-4 102 257 se realiza una producción de partículas de material sintético mediante la irradiación por Láser y fotoendurecimiento de un líquido endurecible por irradiación rica en energía (plástico líquido), líquido que se encuentra dentro de un recipiente (una cuba en forma de caja).

De la FR-A-2 634 686 se conoce un procedimiento o bien un dispositivo en el que se inyecta un hilo 3 de un producto teñido, es decir un material ya solidificado, en un recipiente relleno de un gel 2.

De la FR 2 583 334 A se conoce un procedimiento para la formación de modelos tridimensionales según el preámbulo de la reivindicación 1. Aquí se añade un fotoiniciador a un líquido monómero y el monómero se endurece por irradiación. Alternativamente, se introduce un monómero, que reacciona con un iniciador térmico, en un líquido neutro. Sin embargo, la precisión de la formación del objeto tridimensional y la cantidad de los materiales a utilizar son limitadas. En la tecnología del Fused Deposition Modelling (FDM), que sirve para la fabricación de modelos industriales de piezas, se funden polímeros termoplásticos. La masa fundida líquida abandona las toberas en forma de cuerda y estructura objetos tridimensionales mediante el enfriamiento al aire. Este procedimiento queda limitado a los polímeros termoplásticos con una alta viscosidad de fusión. El campo de los materiales, utilizados hasta la fecha con éxito, se limita a copolímeros de estireno-butadieno-acrilonitrilo y policaprolactona. La temperatura de procesamiento sobrepasa aquí los 100ºC; esto evita la incorporación de aditivos térmicamente sensibles en el objeto tridimensional producido.

El objetivo de la invención consiste en proporcionar un dispositivo mejorado o bien un procedimiento mejorado para la producción de objetos tridimensionales. Este objetivo se alcanza por un procedimiento según la reivindicación 1, un dispositivo según la reivindicación 24 o bien una utilización según la reivindicación 27. En las subreivindicaciones se han indicado otros desarrollos de la invención.

En el procedimiento según invención se posiciona una abertura de salida de un dispensador móvil tridimensional en un primer material (2) - el medio de plotteado - y un segundo material (3) compuesto de uno o varios componentes, el cual al entrar en contacto con el primer material (2) conduce a la formación de estructuras sólidas, se introduce en el primer material (2) para formar objetos tridimensionales. A continuación se designa el primer material 2 como medio o bien medio de plotteado 2 y el segundo material 3 como material 3, para poder distinguir mejor entre el primer material (2) y el segundo material (3).

El efecto del medio (2) consiste, por un lado, en una compensación del empuje ascensional como también en una amortiguación del movimiento del material (3) dosificado todavía líquido.

Los dos efectos se pueden ver claramente de las figuras 2 y 3. En la figura 3, la compensación defectuosa del empuje ascensional lleva a que se derrita la estructura reticular tridimensional del conjunto de datos, En cambio en la figura 2 la estructura reticular está bien formada y la estructura de los espacios huecos entre las capas se mantiene en su totalidad. Esta modificación técnica, "Plottear" (dispersar) un material (3) en un medio (2) con las correspondientes características reológicas, descritas más en detalle a continuación, conduce a una ampliación esencial del campo de los materiales a utilizar.

Por un lado, el/los material/es (3) con una reducida viscosidad se pueden estructurar formando objetos tridimensionales complicados. Por el otro lado, el medio (2) puede incluirse en forma reactiva en el proceso de endurecimiento del material (3). Aquí se pueden producir reacciones químicas, pero también reacciones de precipitación y formación de complejos. La polaridad del material 2 varía en función de la polaridad del material (3) desde hidrófila (por ejemplo agua) hasta completamente homopolar (por ejemplo aceite de silicona) con el fin de controlar las características de adhesión de las capas entre sí.

En el procedimiento aquí descrito se puede renunciar prácticamente siempre a una estructura soporte para la formación de objetos tridimensionales. Un detalle muy importante de la invención se basa en la variabilidad de la temperatura en el procedimiento. En conexión con la gran cantidad de combinaciones posibles de medio (2)/material (3) también se pueden realizar condiciones de procesamiento a temperatura ambiente. Así se pueden incorporar fármacos o células vivas, por ejemplo humanas, en estructuras tridimensionales.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución de gelatina o agua y como material (3) caucho de silicona.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) agua y como material (3) una silicona endurecible en húmedo con grupos de acetoxi-silano.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) agua, un poliol o una solución de aminas polifuncionales y como material (3) un poliuretano (prepolímero) con grupos de isocianato.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución acuosa de iones de calcio y trombina, como material (3) una solución acuosa con fibrinógeno.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución acuosa de iones de calcio y trombina, como material (3) una solución acuosa con fibrinógeno con células humanas vivas o células vivas de mamífero (por ejemplo fibroblastos).

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución de un polielectrolito, como material (3) una solución de cationes polivalentes, aniones polivalentes o un polielectrolito.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución de iones de calcio y/o quitosana protonizada y/o trombina y como material (3) una solución de Na-alginato y/o fibrinógeno así como células vivas humanas o de mamífero.

En otro desarrollo del procedimiento se utiliza como medio (2) una solución acuosa de una proteína y como material (3) una solución salina.

En otro desarrollo del procedimiento se añade al material y/o al medio una sustancia que retarda la reacción. Con ello se garantiza que el material añadido se adhiera en material previamente endurecido o bien solidificado.

Otras características y utilidades resultan de la siguiente descripción de formas de ejecución con ayuda de las figuras anexas. Estas muestran:

La figura 1 una representación esquemática de un dispositivo de un tipo de ejecución de la invención.

La figura 2 una sección transversal a través de un objeto 3D plotteado; medio de plotteado (2) = aire, material (3) = prepolímero de PU;

La figura 3 una sección transversal a través de un objeto 3D plotteado; medio de plotteado (2) = agua, material (3) = prepolímero de PU, y

La figura 4 una vista en sección transversal esquemática a través de otro tipo de ejecución de la invención.

A continuación se explica el principio de la invención.

El dispositivo representado en la figura 1 tiene un recipiente 1, un dispensador 4 y un mando 6 para el dispensador 4. A continuación se denomina el dispositivo también como Plotter de 3D.

En el recipiente 1 se han previsto una o más plataformas 8 sobre las cuales se conforma/conforman el o bien los objetos tridimensionales. En el recipiente 1 se puede introducir un medio 2 que también se denomina medio de plotteado, hasta un nivel de relleno predeterminado.

El dispensador 4 está montado en un soporte no representado en la figura 1 y puede moverse por, como mínimo, tres ejes x, y z como el cabezal portafresa de una fresadora con control numérico. Como dispensador 4 se utiliza, por ejemplo, una fresa de, como mínimo, tres ejes regulada por control numérico., en la que el cabezal portafresa ha sido sustituido por el dispensador. El dispensador 4 se compone de un elemento tobera con aberturas de entrada y salida para el material 5. En la/las abertura/s de material se han conectado uno o varios cartuchos intercambiables para uno o varios componentes de material 3, donde el/los componente/s de material 3 se añade/n al medio 2 para la formación de objetos tridimensionales. Para introducir el/los componente/s de material 3 de forma controlada a través del elemento tobera en el medio 2, se puede introducir en los cartuchos a través de las tuberías de alimentación 7 aire comprimido regulado u otro gas inerte seco adecuado (nitrógeno, argón) según el material 3 dosificado. El dispensador 4 puede moverse por encima y dentro del recipiente 1 en las tres direcciones de manera que el elemento tobera puede posicionarse con su abertura de salida 5 por debajo del nivel de relleno del medio 2 dentro del recipiente 1.

La abertura de salida 5 está construida como tobera individual o como panel de toberas. En las toberas para sistemas dispensadores operados con aire comprimido disponibles comercialmente, los diámetros interiores más pequeños de la abertura de salida 5 son de alrededor de 150 \mum. Otra posibilidad de dosificación del material 3 - sin utilización de aire comprimido o bien de un gas inerte - está dada por medio de una bomba como conexión entre cartucho y elemento tobera, donde el material mismo es transportado por la bomba desde el cartucho hasta el elemento tobera. Una modificación de esta posibilidad ha previsto integrar la función de bomba/válvula/tobera en el elemento tobera mediante una solución mecánica/electrónica.

El mando 6 está diseñado de forma que controla el movimiento tridimensional del dispensador 4 así como el suministro del/de los componentes de material 3 desde el dispensador. Se trata aquí de un control numérico que puede estar acoplado adicionalmente con un sistema CAD/CAM y/o de procesamiento de imagen.

El medio 2, es decir el medio de plotteado, es un material líquido, tixótropo, en forma de gel, pastoso, sólido, en forma de polvo o en forma de granulado. Como medio de plotteado se puede utilizar un medio co-reactivo que produce reacciones con el o los componentes de material 3, por ejemplo polielectrolitos aniónicos o catiónicos, mezclas de sales de polielectrolito o sustancias con grupos funcionales co-reactivos. Alternativamente, el medio de plotteado contiene precipitantes para el/los componente/s de material 3.

Los componentes de material 3 que son introducidos por el dispensador en el medio de plotteado 2 son materiales líquidos, en forma de gel, pastosos. Ejemplos para los componentes de material 3 son los oligómeros y polímeros líquidos a temperatura ambiente, masas fundidas de oligómeros y polímeros ("masas fundidas calientes"), oligómeros y polímeros reactivos, monómeros, geles, por ejemplo cauchos de silicona de uno o dos componentes, pastas, por ejemplo oligómeros y polímeros rellenos con cargas orgánicas e inorgánicas, plastisoles, es decir polvo de polímero dispersado en plastificantes, soluciones, sistemas de dos componentes con componentes co-reactivos, por ejemplo, isocianato/alcoholes y dispersiones.

El medio 2 y el/los componente/s de material 3 pueden elegirse de manera que por la adición por dosificación del/de los componente/s de material 3 al medio 2 este se disuelve, queda ligado, se funde, endurece o adhiere por o con el/los componente/s de material 3. De forma inversa, el/los componente/s de material 3 puede/n disolverse, quedar ligados, fundirse, endurecer o adherirse por o con el medio 2.

Se puede elegir un medio 2 con una densidad que es aproximadamente igual o casi igual o bien algo menor/mayor que la del/de los componente/s de material 3, con el fin de compensar en partes sobresalientes de la estructura a formar un combado de la estructura. Alternativamente, debido a una consistencia tixotrópica, de tipo de gel, pastosa o en forma de polvo del medio 2 se puede evitar por el medio 2 mismo un combado y modificaciones de posición de la estructura a formar en el medio de plotteado. En cada caso, la adición del/de los componente/s de material 3 al medio 2 conduce directamente a la formación de estructuras sólidas tridimensionales. No se necesitan medios auxiliares adicionales como por ejemplo la irradiación.

Primer tipo de ejecución

Sigue la descripción de un primer tipo de ejecución de la invención.

Un dispensador 4 de accionamiento neumático del principio arriba descrito está equipado con un cartucho y tiene como abertura de salida 5 una aguja con un diámetro interior de aproximadamente 250 \mum. Para la regulación de la presión dentro de los cartuchos se ha conectado una válvula de dosificación en las tuberías de alimentación a través de tubos flexibles. Esta válvula reduce el aire comprimido de entrada de 7 bar a la presión de cartucho necesaria en función del material (3). Adicionalmente, la válvula reductora puede cerrarse por completo por medio del control 6 para iniciar o interrumpir el proceso de dosificación.

Durante el funcionamiento se llena el recipiente 1 con agua. En el cartucho del dispensador 4 se introduce resina de silicona que endurece con agua. La silicona contiene acetoxi-silanos que provocan una policondensación catalítica ácida del silanol durante la hidrólisis en presencia de agua.

Mediante el control 6 se posiciona el extremo libre de la aguja por encima de la plataforma 8 en una posición de partida dentro de dimensiones predeterminadas del objeto tridimensional a formar previstas por un modelo computerizado del objeto. A continuación se aplica la silicona dentro de las dimensiones predeterminadas de forma correspondiente con una presión de servicio de aproximadamente 0,8 bar y con una temperatura ambiente sobre la plataforma 8 para formar una primera capa del objeto tridimensional. La aguja del dispensador es desplazada por el control 6 paralelamente a la plataforma de manera que se ajusta una velocidad de proceso en dirección XY de aproximadamente 11 a 12 m/h. Aquí, la silicona se endurece directamente después de la adición al agua.

La adición del material 3 al medio 2 sobre la plataforma 8 se realiza bien por raciones en diferentes puntos para formar "Microdots" (micro-gotas) o de manera continua para formar micro-cuerdas en el caso de materiales 3 en forma de gel o pastosos y como micro-chorro en el caso de materiales 3 líquidos.

Después de terminar la primera capa del objeto tridimensional mediante cambio de la posición del dispensador 4 se posiciona la aguja dispensadora por encima de la primera capa in la dirección Z representada en la figura 1. Mediante un desplazamiento controlado del cabezal del dispensador y una adición controlada de silicona se forma la segunda capa del objeto tridimensional. Estos pasos se repiten de manera que se produce el objeto tridimensional por una formación sucesiva de capas. En el caso de la dosificación de micro-cuerdas, no es necesario cortar la cuerda entre las distintas capas. Esto hace posible la estructuración del objeto tridimensional con una única micro-cuerda.

De esta forma pueden producirse, por ejemplo, objetos tridimensionales en forma de esqueleto, formando dentro de la primera capa cuerdas paralelas entre sí en una primera dirección. Entre las cuerdas de un plano puede existir aquí un intersticio. A continuación, al formar la segunda capa, se forman cuerdas paralelas en la segunda dirección. Mediante la repetición de estos pasos se construye finalmente un esqueleto de capas de cuerdas.

Las micro-gotas pueden formarse una al lado de la otra, superpuestas o sobre espacios huecos. Una separación de las micro-gotas o de las micro-cuerdas en forma de espiral conduce a la formación de tubos cuyo tamaño se mueve en el rango de los milímetros hasta los centímetros, con un diámetro interior de aproximadamente, como mínimo 100 \mum.

Si se forman objetos tridimensionales con grandes resaltes o entalladuras, puede producirse una deformación del objeto en agua debido a la fuerza de la gravedad. Para evitar este problema se ajusta la tixotropía de la silicona por ejemplo mediante la licuación de la silicona durante el proceso de producción por medio de agitación, sacudidas o vibraciones o por control de la tixotropía de silicona por medio de nanomateriales de carga orgánicas e inorgánicas. Alternativamente, en lugar de agua se utiliza un medio con una densidad igual o similar, es decir algo menor/mayor que la de la silicona. Como consecuencia se compensan las fuerzas, que actúan sobre los resaltes del objeto tridimensional debido a la fuerza de gravedad, por el empuje vertical. Otra posibilidad de evitar la deformación del objeto tridimensional es la utilización de geles tixotrópicos o termorreversibles en lugar del agua, como por ejemplo gelatina técnica, en los que entonces es despreciable el flujo de material del material dosificado.

En una modificación del proceso arriba descrito se sustituye la silicona durante el plotteado por otra resina, por ejemplo mediante el intercambio de los cartuchos. Así resulta la posibilidad de modificar características del material y los colores dentro del objeto tridimensional. Por ejemplo se pueden formar de esta forma esqueletos de un material en el que se han incorporado capas más densas de otro material.

Segundo tipo de ejecución

En un segundo tipo de ejecución se utiliza un dispensador 4 que tiene como abertura de salida 5 una aguja que se puede calentar. Como material se ha previsto en un cartucho en el dispensador 4 un plastisol, es decir un polvo polímero dispersado en uno o varios plastificantes. En el recipiente 1 se ha previsto agua. El plastisol se gelifica en la aguja calentada directamente antes de ser introducido en agua. En el agua se enfría el plastisol y se solidifica. Adicionalmente, el plastisol también puede gelificarse a posteriori en un horno para mejorar las características estructurales del objeto tridimensional.

Otro ejemplo son los PU-prepolímeros con grupos de isocianatos y grupos de hidroxilo. Estos se encuentran en el cartucho 4 a temperatura ambiente o ligeramente enfriados y se gelifican mediante calentamiento en la aguja calentada de la abertura de salida. También son imaginables aquí otras reacciones químicas que conducen a una solidificación / gelificación y que se pueden iniciar por un corto impulso térmico.

Tercer tipo de ejecución

En el tercer tipo de ejecución se utiliza un sistema co-reactivo de varios materiales. El dispensador 4 está equipado con un cartucho y en la abertura de salida 5 con una aguja. En el cartucho se prepara un poliuretano con grupos de isocianato funcionales. El recipiente 1 contiene agua o una solución amina acuosa. Al añadir el poliuretano se produce la reacción con el agua o con la solución amina acuosa y el endurecimiento del sistema co-reactivo.

En una modificación de este tipo de ejecución, el dispensador 4 tiene dos cartuchos. En uno de los cartuchos se encuentra una resina reactiva y en el otro cartucho un componente para el endurecimiento de la resina reactiva. Utilizando toberas de mezcla se mezclan las sustancias preparadas en los cartuchos, bajo exclusión de aire, antes o después de la adición a un medio de plotteado, como por ejemplo agua. La resina reactiva y el componente para el endurecimiento reaccionan entre sí formando estructuras tridimensionales sólidas.

Alternativamente pueden utilizarse sistemas co-reactivos de la forma arriba explicada que conducen a la formación de estructuras tridimensionales sólidas por reacciones de policondensación de las superficies exteriores o por la formación de complejos de polielectrolito.

Cuarto tipo de ejecución

En otro tipo de ejecución se ha introducido en el recipiente 1 un medio 2 que reacciona con el material 3 de tal manera que después de eliminar componentes no transformados del material 3 se forman microtubos o bien microhuecos en el centro de la cuerda. Estos espacios huecos a su vez pueden formar una estructura tridimensional. Ejemplo para ello es la polimerización de superficies exteriores (cloruro diácido como material 3, diaminas como medio 2). Otras variantes son los complejos de polielectrolito (por ejemplo soluciones de Na-alginato como material 3 y una solución de quitosana protonizada como medio 2). Mediante una alineación paralela de las cuerdas dosificadas se pueden producir los haces de microtubos.

Quinto tipo de ejecución

En un tipo de ejecución los materiales a utilizar contienen materiales de carga orgánicos e inorgánicos para producir objetos tridimensionales compuestos de polímeros multifásicos y materiales compuestos. Por ejemplo, un material sintético con carga endurecible térmicamente o una masa fundida caliente de un nanomaterial compuesto puede añadirse al agua como medio de plotteado desde el dispensador 4 a través de una aguja calentada.

Para conseguir una mejor resolución, mejores tolerancias y procesos de formación más rápidos pueden utilizarse alternativamente también micro-dispensadores con toberas múltiples de accionamiento separado.

Sexto tipo de ejecución

En otro desarrollo del primer tipo de ejecución el material 3 suministrado por el dispensador 4 contiene una sustancia activa farmacéutica (por ejemplo fibronectina o factores de crecimiento). Debido a que durante el procesamiento no se necesitan forzosamente temperaturas altas, el proceso se puede realizar, por ejemplo, a temperatura ambiente. Entonces no se descomponen o desactivan las sustancias activas farmacéuticas y quedan incorporadas en el objeto tridimensional en su forma activa. Por esta razón, es posible utilizar el objeto como implante para impulsar en el cuerpo el crecimiento de células alrededor del implante. También es posible en este caso un procesamiento directo de una suspensión de células humanas vivas. Las estructuras de esqueleto como se describen en el tipo de ejecución 1 garantizan aquí la subsiguiente alimentación de las células con el medio nutritivo (in vitro) o sangre (in vitro). La disposición mostrada en la figura 1 puede esterilizarse para este fin (luz UV, etilenóxido, posicionamiento del proceso en un espacio purificado).

Como material portador 3 para las células vivas se utilizan aquí soluciones de gelatina, soluciones de colágeno, soluciones de Na-alginato, soluciones de albúmina.

Séptimo tipo de ejecución

En un séptimo tipo de ejecución, la abertura de salida 5 del dispensador está construida como campo de toberas bidimensional en cada caso con toberas individualmente calentables que se pueden accionar por separado. Esto simplifica la formación de un objeto tridimensional en capas debido a que el dispensador al utilizar una fila de toberas para formar una capa solamente se desplaza en la dirección x y no en la dirección y. Además, la utilización de un campo de toberas hace posible la formación de un objeto mediante el desplazamiento del dispensador únicamente en dirección z.

Octavo tipo de ejecución

Para mantener el medio 2 y/o el material 3 en un estado definido o provocar durante el proceso de plotteado una reacción precisa térmicamente inducida, se pueden calentar o enfriar, con el medio de plotteado 2 o la/las tobera(s) de forma separada o en combinación, el cartucho y la tubería de alimentación para el material 3, del baño/espacio constructivo. Como material se utilizan en el proceso según invención, de preferencia, oligouretanos debido a que las microestructuras producidas lo mismo que los compuestos de los poliuretanos pueden variarse de forma sencilla para controlar características mecánicas del objeto tridimensional que se produce, que así se puede configurar, por ejemplo, como tipo gomoso o tipo muy rígido. Los oligouretanos pueden utilizarse como sistema co- reactivo según se describe en el tercer tipo de ejecución o como masa fundida caliente de forma análoga al segundo tipo de ejecución.

La invención hace posible la conformación de un sinfín de estructuras tridimensionales con diferentes combinaciones de material. Por la utilización de uno o varios monómeros como medio de plotteado se puede incorporar en una matriz del monómero o de los monómeros, por ejemplo, una estructura de fibras y/o una estructura de esqueleto de otro material y a continuación se puede polimerizar el o los monómero/s.

En los tipos de ejecución arriba descritos se puede conseguir actualmente una resolución máxima de una precipitación de micro-gotas o micro-cuerdas con dispensadores comercialmente obtenibles de aproximadamente 100 a 200 \mum, determinada por el diámetro interior de la tobera, la presión de servicio, la velocidad de procesamiento de la/las tobera/s y, especialmente, por las características reológicas del material utilizado. La dosificación de las micro-gotas puede realizarse sobre espacios huecos, de manera cubriente o en forma de espiral. Las micro-cuerdas pueden dosificarse con un flujo de material continuo, como cuerdas individuales, como cuerdas sinfín, torcidas en espiral o adaptadas a la forma libre. Además, los componentes de material líquidos pueden añadirse al medio de plotteado en forma de micro-chorro. Otra posibilidad de la dosificación consiste en una así llamada co-extrusión es decir en la dosificación de una cuerda con un núcleo y una envoltura (cuerda de núcleo/ envoltura). Es posible influir sobre las características reológicas (características de fluencia) si se pretende conseguir un flujo de material suficiente y, de preferencia, una alta tixotropía, es decir el rápido aumento de la viscosidad con un coeficiente de cizallamiento decreciente. Un flujo controlado es necesario después de la adición del material para obtener superficies lisas sin causar un colapso o una deformación de la estructura tridimensional. Se pueden utilizar, por ejemplo, oligómeros autoorganizantes o segmentados para controlar la reología. Para objetos tridimensionales mayores se pueden utilizar toberas planas mayores o toberas múltiples, y el flujo se puede adaptar después de la adición, por ejemplo, por una selección correspondiente del medio de plotteado para obtener superficies lisas. Para controlar la tixotropía la utilización de nanomateriales de carga autoorganizantes hace posible la formación de estructuras reticulares que reaccionan con fuerzas de cizallamiento.

El procedimiento según invención no requiere ningún postratamiento térmico o químico del objeto tridimensional formado. Tampoco es necesario ajustar temperaturas altas durante el procedimiento con la selección de los correspondientes materiales. Esto hace posible la utilización de materiales biológicos o farmacéuticos sensibles a la temperatura bien como aditivo, como, por ejemplo, proteínas, factores de crecimiento y células vivas, pero también como material de matriz como, por ejemplo, el ácido hialurónico, gelatina, colágeno, ácido algínico y sus sales, quitosana y sus sales. Así se pueden producir, por primera vez en un solo paso, portadores biocompatibles y biodegradables que tienen una forma definida, libremente elegida y contienen sustancias o estructuras de alta sensibilidad térmica y toxicológica. Tales portadores tienen una gran importancia en el sector de la Ingeniería de Tejidos (Tissue Engineering). Es especialmente importante la novedosa posibilidad del plotteado de uno o varios tipos de células (por medio de varios recipientes 4 y varias toberas 5) en puntos exactamente definidos en el espacio en una estructura tridimensional ajustable con precisión que también permite poros para la alimentación con nutrientes y la eliminación de productos del metabolismo. Los órganos de mamíferos se componen de un tejido de sostén (por ejemplo colágeno) y los más diferentes tipos de células que realizan las funciones más diversas (por ejemplo células del hígado). Un cultivo simultáneo in-vitro de diferentes tipos de células presenta grandes dificultades debido a diferentes velocidades de crecimiento y condiciones de crecimiento. Su estructuración simultánea para formar órganos hasta la fecha solamente ha tenido éxito para los órganos sencillos (por ejemplo la piel). Por el contrario, una estructura compleja de este tipo puede realizarse por medio de la invención aquí presentada.

Como ejemplo para el medio 2 puede servir aquí una solución acuosa de iones de calcio, trombina y gelatina (para aumentar la viscosidad); en este caso el material 3 es una solución acuosa de fibrinógeno humano, alginato sódico y células vivas.

Dos mecanismos conducen a la gelificación: a) la formación de complejo del alginato a un alginato de calcio insoluble y b) la gelificación del fibrinógeno a fibrina.

También aquí se puede ajustar tanto la posibilidad de procesamiento del material 3 mediante la adición de materiales de carga inorgánicos u orgánicos, como también conseguir un mejoramiento de las características mecánicas del objeto tridimensional terminado.

Como ejemplo puede servir aquí la adición de hidroxiapatita en forma de polvo (mineral principal del hueso del mamífero). Así se puede producir un objeto tridimensional en conexión con células vivas de hueso, objeto que sirve para subsanar defectos óseos.

De la misma manera otras aplicaciones de la invención pueden residir en el campo de la liberación de principios activos. La invención hace posible, por ejemplo, la producción de portadores de principios activos exactamente adaptados a los pacientes; esto puede servir, por ejemplo, para la liberación lenta de un principio activo en el cerebro - el principio activo se encuentra aquí en el material 3 mismo y no sobre la superficie -, colocando un objeto tridimensional adaptándolo a de la corteza cerebral y liberando el principio activo directamente en el cerebro y no teniendo necesidad de vencer la barrera hematoencefálica. Esto es importante para el tratamiento postoperatorio de pacientes con tumores cerebrales.

La invención tiene, además, la ventaja de que tanto para aplicaciones médicas como también para la producción de prototipos en la industria y en la ciencia se pueden producir individualmente objetos tridimensionales.

Además, se pueden formar estructuras pequeñísimas, puesto que la resolución estructural alcanzada está situada en el rango de 150 dpi (170 \mum) y puede variarse de forma sencilla dependiendo del diámetro interior de la/las tobera/s utilizadas, de la presión de servicio durante la adición, de la velocidad de adición del material 3, de la velocidad de proceso de la/las tobera/s, de la reología del medio de plotteado y del material y de las demás características del material. Además, al utilizar toberas múltiples dispuestos en forma de campo o matriz, se puede conseguir una resolución de 600 dpi o más. Las toberas múltiples están construidas aquí como sistema micromecánico en el que las distintas toberas están mandadas por válvula (las aberturas de tobera o bien de salida están dispuestas en forma de campo o de matriz sobre una placa de toberas común) y presentan en su posición de campo o matriz determinada, en cada caso, una abertura de salida hacia una cámara de tobera común que es alimentada con el material 3 bajo una presión regulada (comparable con el principio de "common rail" de la técnica de inyección de Diesel).

La formación de objetos tridimensionales en medios líquidos, cuya densidad es igual o similar, es decir algo menor / mayor que la densidad del material añadido y que sirve así para compensación del empuje ascensional del material 3, o la adición en medios tixótropos o en forma de gel para reducir a un mínimo el flujo de material del material dosificado 3 en el medio 2, hace posible trabajar sin estructuras soporte durante la formación de objetos tridimensionales con resaltes, destalonamientos y/o espacios huecos.

Otra ventaja del procedimiento consiste en que se pueden utilizar múltiples materiales reactivos y no reactivos. Por ejemplo se pueden utilizar sistemas co-reactivos y masas fundidas calientes con una viscosidad baja si se compara con las masas fundidas de polímeros usuales.

El dispositivo y el procedimiento no solamente son adecuados para la aplicación biomédica, sino también para la fabricación de objetos tridimensionales "desktop" útiles para oficinas y para realizar rápidamente prototipos.

Como se puede ver de la figura 4, en otro tipo de ejecución preferido de la invención se ha añadido una sustancia (10) bien al medio (2) o, de preferencia, al material (3), sustancia que retarda la reacción entre el medio (2) y el material (3) o bien sus componentes reactivos. Esta sustancia 10 provoca que se consigue una buena adherencia del material añadido a través del dispensador 4 en estructuras ya endurecidas 30 del material 3, que están situadas, por ejemplo, en un plano anterior del plotteado. La sustancia 10 de retardo de la reacción se elige de manera que la reacción entre las partes de la reacción 2 y 3 o bien sus ingredientes reactivos, reacción que se produce principalmente en primer lugar en la superficie interfacial entre el material 30 ya endurecido y el material añadido 3, se retrasa en un período t (tiempo de retardo) suficiente para que el material 3 añadido en las estructuras 30 ya endurecidas o bien solidificadas quede adherido en las mismas antes de reaccionar con el medio 2. En el ejemplo de ejecución mostrado en la figura 4 el tiempo de retardo 1 es predeterminado por el tiempo que necesita el material 3 para fluir desde una sección 30_{1} a una sección 30_{2} de una estructura ya endurecida. El tiempo de retardo oscila según los materiales utilizados y las velocidades de dosificación entre aproximadamente 1/100s y aproximadamente algunos segundos. Como sustancias de retardo de la reacción se pueden utilizar diferentes sustancias según el sistema co-reactivo utilizado del medio 2 y material 3. La sustancia de retardo de la reacción 10 provoca una desactivación de las moléculas reactivas bien del material 3 bien del medio 2, especialmente los del medio 2, que penetran en el material 3 mientras se añade éste. Después de algún tiempo las moléculas de la sustancia de retardo de la reacción 10 se vuelven inactivos por si mismos de manera que su efecto ya no es suficiente para impedir la reacción entre el material 3 y el
medio 2.

Ejemplos de sustancias de retardo de la reacción son las siguientes: para polielectrolitos aniónicos, por ejemplo ácido algínico, como componente reactivo en el material 3 y sustancias con cationes polivalentes, por ejemplo calcio, como componente reactivo del medio 2 se consideran como sustancias de retardo de la reacción, por ejemplo, EDTA, ácido acetil-salicílico o heparina, donde los cationes polivalentes son secuestrados, o iones de sulfato, donde los cationes polivalentes son precipitados. Para los polielectrolitos catiónicos, por ejemplo quitosana, como componente reactivo en el material 3 y sustancias con aniones polivalentes como componente reactivo del medio 2 se consideran como sustancias de retardo de la reacción, por ejemplo, Ca, Ba ó iones de Sr, donde los aniones polivalentes son precipitados o polielectrolitos catiónicos de cadena corta donde los aniones polivalentes son secuestrados.

Para el fibrinógeno como componente reactivo del material 3 y la trombina y/o el calcio como componente reactivo del medio 2 son adecuados como sustancia 10 de retardo de la reacción los anticoagulantes, por ejemplo la heparina, donde se desactivan los iones de calcio y/o se inhibe la trombina.

Para un monómero con un iniciador radical, por ejemplo PBO, como componente reactivo del material 3 y un co-iniciador, por ejemplo amina, como componente reactivo del medio 2 es adecuado como sustancia de retardo de la reacción 10 un captador de radicales, como un fenol estéricamente impedido, que destruye los radicales que se producen.

Se entiende, que la enumeración arriba dada solamente es a modo de ejemplo y que se puede utilizar cualquier sustancia de retardo de la reacción que para un sistema co-reactivo especial de material 3 y medio 2 conduce a un tiempo definido de retardo de la reacción. El tipo de ejecución descrito es aplicable en conexión con todos los tipos de ejecución arriba mencionados.

En otro tipo de ejecución preferido se añaden sustancias de retardo de la reacción como sustancias que protegen el componente reactivo en el material 3 o en el medio 2 ante reacciones no deseadas o bien las impiden. Por ejemplo, se puede utilizar la vitamina E (tocoferol) como sustancia de retardo de la reacción o bien como inhibidor para el caso de que como material 3 se utiliza un polímero dosificable de procesamiento termoplástico, para proteger éste contra la oxidación. El procedimiento descrito según todos los tipos de ejecución arriba indicados no se limita a que como material 3 o como medio 2 se utilizan materiales puros. También se pueden utilizar mezclas de materiales. Como mezclas para el material 3 son posibles, por ejemplo, mezclas de polielectrolitos, fibrinógeno, fibrina y otras sustancias mencionadas.

En otro tipo de ejecución es posible utilizar como material 3 un material que contiene una sustancia disuelta en el mismo que se precipita durante el paso al medio 2 por un cambio de la característica de solubilidad y forma una estructura sólida. Este tipo de ejecución se puede aplicar, por ejemplo por plotteado de cementos óseos sobre la base de polimetil-metacrilatos y fosfatos cálcicos, para retardar el endurecimiento. Se conocen cementos óseos que se basan en la polimerización de polimetil-metacrilatos con fosfatos, por ejemplo hidroxiapatita, como material de carga. El polimetil-metacrilato sólido se disuelve en metil-metacrilato que es un monómero. La solución altamente viscosa que se produce se mezcla entonces con el componente mineral de fosfato. Durante el plotteado tridimensional se utiliza un sistema de dos componentes de iniciador y co-iniciador. La pasta de PMMA/MMA/apatita constituye el material de plotteado 3. A éste se añade el iniciador, donde la polimerización por éste todavía no se inicia. Al medio de plotteado 2 se añade el co-iniciador. Por el contacto de la pasta de PMMA/MMA/apatita con el medio de plotteado, que contiene el co-iniciador, se inicia la polimerización. El tiempo de endurecimiento se elige en este caso lo más corto posible. Como iniciador se utiliza, por ejemplo, benzol-peróxido y como co-iniciador una amina.

Claims (28)

1. Procedimiento para la producción de un objeto tridimensional con:

-

puesta a disposición de un medio (2) no gaseoso en un recipiente (1)

-

posicionamiento de una abertura de salida (5) de un dispensador (4) móvil tridimensional en el medio (2),

-

suministro de un material (3) compuesto de uno o varios componentes a través del dispensador (4) al medio (2) y

-

desplazamiento del dispensador (4) hasta los puntos correspondientes al objeto tridimensional, para formar una estructura tridimensional sólida,

caracterizado porque el material (3) conduce a la formación de estructuras sólidas sin irradiación después de ser introducido en el medio (2) debido al contacto con el medio.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio (2) se dispone en el recipiente (1) a un nivel de relleno predeterminada y porque la abertura de salida (5) del dispensador se posiciona por debajo del nivel de relleno del medio (2) en el recipiente (1).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la densidad o la consistencia tixotrópica, de tipo de gel, pastosa o en forma de polvo del medio (2) se ajusta de tal forma que se consigue una compensación del empuje ascensional y una amortiguación de la circulación del material (3).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se forman con el material (3) micro-gotas sobre huecos, como capa cubriente o en forma de espiral, o porque se forman una o varias micro-cuerdas, donde la o las micro-cuerdas se dosifican individualmente o de forma continua, sinfín o por partes, retorcidas en forma de espiral o linealmente, con un flujo de material continuo o discontinuo.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se utilizan componentes líquidos o pastosos del material (3) que se dosifica en forma de micro-gotas o de micro-chorro.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material (3) se dosifica en forma de cuerda con un núcleo y una envoltura.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se realiza una precipitación del medio (2) y/o del material (3), o porque se realiza una precipitación controlada para formar pieles alrededor de subestructuras de objetos tridimensionales, o porque el medio (2) contiene uno o varios precipitantes para la precipitación del material (3) y el material (3) se precipita.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el material (3) contiene componentes co-reactivos que reaccionan entre sí y/o porque el primer medio (2) contiene un componente co-reactivo que reacciona con uno o varios de los componentes del material (3).

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque se realiza una polimerización interfacial, una policondensación o una formación de un complejo de polielectrolitos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se forman microespacios huecos o microtubitos mediante la eliminación del material (3) del núcleo de una cuerda de núcleo/envoltura o mediante una polimerización interfacial y eliminación del material (3) no transformado durante la polimerización interfacial.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el primer medio (2) se disuelve, liga, funde, endurece o adhiere mediante la dosificación del material (3) por el o con el material (3), o porque el material (3) mediante dosificación al medio (2) es disuelto, ligado, fundido, endurecido o adherido por o con el medio (2).

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque como medio (2) se utiliza un material líquido, en forma de gel, tixotrópico, pastoso, en forma de polvo, como granulado o sólido, y/o porque se utiliza como material (3) un material líquido, en forma de gel, pastoso.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el medio (2) se ha seleccionado del grupo que contiene agua, gelatina, una solución acuosa de poliamina y una mezcla de los mismos, y porque el material (3) ha sido seleccionado del grupo que contiene polímeros y oligómeros líquidos a temperatura ambiente, masas fundidas de oligómeros y polímeros, oligómeros y polímeros reactivos, monómeros, geles, pastas, plastisoles, soluciones, sistemas de dos componentes con componentes co-reactivos, dispersiones y mezclas de los mismos.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque para el material (3) se utilizan para el gel uno o varios cauchos de silicona de uno o dos componentes, para las pastas uno o varios oligómeros rellenos y polímeros con uno o varios materiales de carga orgánicos e inorgánicos y para el sistema de dos componentes con componentes co-reactivos uno o varios sistemas de isocianato/poliamida, o como material (3) uno o varios oligouretanos.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el material (3) o el medio (2) contiene materiales de carga inorgánicos y orgánicos.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque como medio (2) se utilizan uno o varios monómeros, se incorporan una estructura fibrosa y/o una estructura de esqueleto en una matriz del monómero o de los monómeros y porque a continuación se polimeriza/n el o los monómero/s.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque las características reológicas del medio (2) y del material (3) se ajustan utilizando nanomateriales de carga orgánicos e inorgánicos.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el primer y/o el segundo material (2,3) contienen sustancias biológicamente activas.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque se entregan uno o varios tipos de células en puntos exactamente definidos en el espacio con el fin de formar una estructura tridimensional de ajuste preciso.

20. Procedimiento según la reivindicación 19, caracterizado porque se han previsto poros en la estructura tridimensional para la alimentación con nutrientes y la eliminación de productos del metabolismo.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque al sistema compuesto del medio (2) y del material (3) se añade una sustancia (10) que retarda una reacción entre el medio (2) o bien de uno de sus ingredientes y del material (3) o bien de uno de sus ingredientes.

22. Procedimiento según la reivindicación 21, caracterizado porque la sustancia (10) se añade al material (3).

23. Procedimiento según la reivindicación 21 ó 22, caracterizado porque mediante la adición de la sustancia (10) se retarda un tiempo de reacción (1) entre el medio (2) o uno de sus ingredientes y el material (3) o uno de sus ingredientes de manera que el material (3) se adhiere en el material (3) ya endurecido después de ser introducido en el medio (2) antes de endurecer o bien conduce a la formación de estructuras sólidas.

24. Dispositivo para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores con un recipiente (1) para el medio (2), un dispensador (4) móvil tridimensional con uno o varios cartuchos para uno o varios componentes de material (3) para introducir el material (3) en el medio (2), donde el dispensador (4) tiene una abertura de salida (5) que se puede posicionar por debajo del nivel de relleno del primer material (2) en el recipiente (1), caracterizado porque el dispositivo no tiene ningún medio auxiliar de irradiación y porque el material (3) y el medio (2) son capaces de forma que el material (3) después de ser introducido en el medio (2) conduce a la formación de estructuras sólidas sin irradiación.

25. Dispositivo según la reivindicación 24, caracterizado porque la abertura de salida (5) está construida como tobera unidimensional o como campo de toberas bidimensional con toberas que se pueden mandar por separado, se calientan individualmente y/o son mandadas por válvulas y el dispensador (4) tiene uno o varios recipientes para los componentes del material (3).

26. Dispositivo según la reivindicación 25, caracterizado porque está construido de manera que los cartuchos para los componentes del material (3), y/o el recipiente (1) y/o la/las tobera/s se pueden calentar o enfriar de tal manera que el medio (2) y/o el material (3) se mantienen en un estado definido o que al introducir y entrar en contacto el material (3) en/con el medio (2) se provoca de forma precisa una reacción térmicamente inducida.

27. Utilización de sustancias biológica o farmacéuticamente activas en un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 23 y/o un dispositivo según una de las reivindicaciones 24 a 26 para la fabricación de objetos tridimensionales activos desde el punto de vista biomédico o biológico.

28. Utilización según la reivindicación 27, caracterizada porque como sustancia biológicamente o farmacéuticamente activa se utilizan como aditivos o como material de matriz proteínas, factores de crecimiento y células vivas, ácido hialurónico, gelatina, colágeno, ácido algínico y sus sales, quitosana y sus sales.