Summary
Denne studien bruker temperatur og materialsammensetning for å kontrollere flytespenningsegenskapene til flytespenningsvæsker. Den solid-lignende tilstanden til blekket kan beskytte utskriftsstrukturen, og den væskelignende tilstanden kan kontinuerlig fylle utskriftsposisjonen, og realisere digital lysbehandling 3D-utskrift av ekstremt myke bioblekk.
Abstract
Presis trykkfabrikasjon av bioblekk er en forutsetning for vevsteknikk; Jacobs arbeidskurve er verktøyet for å bestemme de nøyaktige utskriftsparametrene for digital lysbehandling (DLP). Oppkjøpet av arbeidskurver sløser imidlertid med materialer og krever høy formbarhet av materialer som ikke er egnet for biomaterialer. I tillegg er reduksjon av celleaktivitet på grunn av flere eksponeringer og svikt i strukturell dannelse på grunn av gjentatt posisjonering begge uunngåelige problemer i konvensjonell DLP-bioprinting. Dette arbeidet introduserer en ny metode for å oppnå arbeidskurven og forbedringsprosessen for kontinuerlig DLP-utskriftsteknologi basert på en slik arbeidskurve. Denne metoden for å oppnå arbeidskurven er basert på absorbansen og fotoreologiske egenskapene til biomaterialene, som ikke er avhengige av formbarheten til biomaterialene. Den kontinuerlige DLP-utskriftsprosessen, oppnådd ved å forbedre utskriftsprosessen ved å analysere arbeidskurven, øker utskriftseffektiviteten mer enn ti ganger og forbedrer cellens aktivitet og funksjonalitet, noe som er gunstig for utviklingen av vevsteknikk.
Introduction
Vevsteknikk1 er viktig innen organreparasjon. På grunn av mangel på organdonasjon kan enkelte sykdommer, som leversvikt og nyresvikt, ikke helbredes godt, og mange pasienter får ikke rettidig behandling2. Organoider med organens nødvendige funksjon kan løse problemet forårsaket av mangel på organdonasjon. Konstruksjonen av organoider avhenger av fremdriften og utviklingen av bioprintingsteknologi3.
Sammenlignet med bioprinting av ekstruderingstype4 og blekkskrivertype bioprinting 5 er utskriftshastigheten og utskriftsnøyaktigheten tilbioutskriftsmetoden for digital lysbehandling (DLP) høyere 6,7. Utskriftsmodulen til ekstruderingsmetoden er linje for linje, mens utskriftsmodulen til blekkskrivermetoden er punkt-for-punkt, noe som er mindre effektivt enn lag-for-lag-utskriftsmodulen til DLP-bioprinting. Den modulerte ultrafiolette (UV) lyseksponeringen for et helt lag med materiale for å kurere et lag i DLP-bioprinting og funksjonsstørrelsen til bildet bestemmer nøyaktigheten av DLP-utskrift. Dette gjør DLP-teknologien svært effektiv 8,9,10. På grunn av overherding av UV-lyset er det nøyaktige forholdet mellom herdetiden og utskriftsstørrelsen viktig for DLP-bioprinting med høy nøyaktighet. Videre er kontinuerlig DLP-utskrift en modifikasjon av DLP-utskriftsmetode som i stor grad kan forbedre utskriftseffektiviteten11,12,13. For kontinuerlig DLP-utskrift er nøyaktige utskriftsforhold de viktigste faktorene.
Forholdet mellom herdetid og trykkestørrelse kalles Jacobs arbeidskurve, som er mye brukt i DLP-utskrift14,15,16. Den tradisjonelle metoden for å oppnå forholdet er å eksponere materialet i en viss tid og måle herdetykkelsen for å oppnå et datapunkt om eksponeringstiden og herdetykkelsen. Ved å gjenta denne operasjonen minst fem ganger og montere datapunktene oppnås Jacobs arbeidskurve. Denne metoden har imidlertid åpenbare ulemper; det må forbruke mye materiale for å oppnå herding, resultatene er svært avhengige av utskriftsforholdene, bioblekkene som brukes i DLP-bioprinting er dyre og sjeldne, og formbarheten til bioblekkene er vanligvis ikke god, noe som kan føre til unøyaktige målinger av herdetykkelse.
Denne artikkelen gir en ny metode for å oppnå herdeforholdet i henhold til de fysiske egenskapene til bioblekket. Bruk av denne teorien kan optimalisere kontinuerlig DLP-utskrift. Denne metoden kan brukes til å oppnå herdeforholdet raskere og mer nøyaktig; den kontinuerlige DLP-herdingen kan derfor bestemmes bedre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Teoretisk forberedelse
- Definer tre parametere: væskeabsorbans (Al), fast absorbans (As) og terskeltid (tT) 17.
- Skriv om den tradisjonelle Jacobs-arbeidskurven ved å bruke disse tre parametrene17 i henhold til ligning 1:
(Ligning 1)
Her er t H herdetiden til ett enkelt lag, ogH er høyden på ett enkelt lag.
(Ligning 1)2. Oppkjøp av parametere
- Mål terskeltiden til bioblekket ved hjelp av et reometer utstyrt med et element for temperaturkontroll.
- Bruk en 365 nm lyskilde for å eksponere testplattformen til reometeret og gjøre lysintensiteten til en viss verdi.
- Sett reometeret for å få Time-Moduli-dataene i løpet av en periode på 300 s, og ta hvert datapunkt hver 0.3 s gjennom alternativene for tidsinnstillinger i reometerprogramvaren. Klikk på Start test-knappen på reometeret for å starte testen, og klikk samtidig på Start-knappen til lyskilden.
- Regnet fra starten av eksponeringen, når lagringsmoduldataene er lik tapsmoduldataene, gjenkjennes den tilsvarende tiden som terskeltiden. Ta opp manuelt.
- Bygg absorbanstestutstyret som vist i forrige arbeid17. Bruk to øvre og nedre glassglass til å klemme den ringformede trykte strukturen (5 mm indre diameter, 10 mm ytre diameter) med en tykkelse på 500μm slik at ringens indre sirkel danner et kammer. Plasser kammeret på testområdet til lysintensitetsmåleren og still inn lyskilden for å eksponere kammerområdet.
MERK: Figur 1 viser skjematisk diagram over fotoreologiske testresultater og databehandlingsresultater, og absorbanstestutstyret.- Mål innfallslysintensiteten (Ii) når testkammeret ikke er fylt med materiale fra absorbanstestutstyret ved å lese av displayet for lysintensitetsmåleren til testutstyret.
- Fyll testkammeret med 10 μLof bioblekk.
- Utsett testkammeret med bioblekk for UV-lys ved 365 nm. Hent lysintensiteten (Ilh) fra absorbanstestutstyret ved å lese av displayet for lysintensitetsmåleren til testutstyret.
- Hent lysintensiteten når bioblekket er herdet (Ish) fra absorbanstestutstyret ved å lese av displayet for lysintensitetsmåleren til testutstyret når verdien ikke lenger endres. Denne verdien er den faste absorbansen, jegsh.
- Beregn væskeabsorbans og fast absorbans ved hjelp av ligning 2 og 3:
Ligning 2
Ligning 3
- Få Jacobs arbeidskurve i henhold til de oppnådde parametrene.
Ligning 2
Ligning 3
Figur 1: Testresultater og utstyr . (A) Skjematisk diagram over fotoreologiske testresultater og databehandlingsresultater. (B) Utstyr for testing av absorbans. Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Li et al.17. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
3. Parameterinnstillinger for kontinuerlig DLP-utskrift
- Bruk DLP-programvare for å oppnå DLP-utskrift, og settet med utskriftsparametere i programvaren som følger.
- Angi eksponeringstiden for det første enkeltlaget som terskeltid (tT) i programvarens parameterinnstillinger.
- Beregn eksponeringstiden for herding av 10 μmtykke materialer i henhold til ligning 1 og trekk terskeltiden for å oppnå den virkelige eksponeringstiden for herding av et enkelt lag.
- Sett tidsintervallet mellom tilstøtende lag til 0 s i programvarens parameterinnstillinger.
- Start skriveren ved å klikke Start-knappen i utskriftsprogramvaren. Når utskriftsprosessen er avsluttet, fullfører du utskriften ved å klikke Stopp-knappen i utskriftsprogramvaren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne artikkelen viser en ny metode for å oppnå herdeparametere og introduserer en ny måte å oppnå kontinuerlig DLP-utskrift på, og demonstrerer effektiviteten til denne metoden ved å bestemme arbeidskurven.
Vi brukte tre forskjellige materialer i DLP-utskrift for å verifisere nøyaktigheten av den teoretiske arbeidskurven oppnådd ved metoden introdusert i denne artikkelen. Materialene er 20% (v/v) polyetylen (glykol) diakrylat (PEGDA), 0,5% (w/v) litiumfenyl-2,4,6-trimetylbenzoylfosfat (LAP) med forskjellige konsentrasjoner av UV-absorber-0,1% (w/v), 0,15% (w/v) og 0,2% (w/v) Brilliant blue. De reelle herdetykkelsesdataene med de teoretiske arbeidskurvene er vist i figur 2.
Figur 2: Sammenligning mellom den teoretiske arbeidskurven og faktiske utskriftsdata . (A) 0,1 % (w/v) absorber. (B) 0,15 % (w/v) absorber. (C) 0,2 % (w/v) absorber. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Den teoretiske arbeidskurven kan brukes til å beregne arbeidskurven nøyaktig. Uansett hva materialsammensetningen er, viser den høye tilfeldigheten av de faktiske utskriftsresultatene og de teoretiske resultatene effektiviteten av metoden.
Vi sammenlignet også den totale utskriftstiden for den tradisjonelle DLP-utskriftsmetoden med den kontinuerlige DLP-utskriftsmetoden utviklet i denne artikkelen. Som vist i figur 3, jo mindre trykklagtykkelsen, desto tydeligere er forbedringen av kontinuerlig DLP-utskriftseffektivitet. Herdeeffektiviteten ble mer enn tidoblet.
Figur 3: Effektivitetssammenligning mellom tradisjonell DLP-utskrift og kontinuerlig DLP-utskrift. Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Li et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Oppkjøpet av den teoretiske arbeidskurven kan brukes til å forbedre DLP-prosessen og fremme fremdriften av DLP-teknologien, men uten oppkjøpet av den teoretiske arbeidskurven er det umulig å kontrollere den nye utskriftsmetoden nøyaktig. Dessuten, jo mindre trykklagtykkelsen, desto bedre utskriftskvalitet, noe som betyr at den kontinuerlige DLP-utskriftsmetoden som er foreslått i denne artikkelen, samtidig kan oppnå høy effektivitet og høy gjengivelse.
Figur 4: Sammenligning av utskriftsresultater mellom tradisjonell DLP-utskrift og kontinuerlig DLP-utskrift . (A) Den herdede modellen ved hjelp av den tradisjonelle metoden. (B) Den herdede modellen ved hjelp av vår kontinuerlige DLP-utskriftsmetode. Denne figuren er modifisert med tillatelse fra Li et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
I motsetning til den tradisjonelle metoden som krever gjentatte trykkeksperimenter, trenger denne metoden bare å teste de relevante materialegenskapene til materialet. Bare en svært liten mengde materiale er nødvendig for å oppnå den tilsvarende arbeidskurven nøyaktig. Den tradisjonelle metoden sløser ikke bare med materiale, men er også avhengig av målemetoder for å bestemme den nøyaktige støpetykkelsen for forskjellige eksponeringstider. For materialer med dårlig formbarhet er det vanskelig å oppnå utskriftstykkelsen nøyaktig, så arbeidskurven er unøyaktig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiske trinnene i denne protokollen er beskrevet i avsnitt 2. Det er nødvendig å forene lysintensiteten som brukes i fotoreologitesten og utskriftslysintensiteten i de faktiske testene. Absorbanstestutstyret er den viktigste delen. Formen på testkammeret skal være den samme som det lysfølsomme området på lysintensitetsmåleren. På grunn av egenskapene til materialene som kontinuerlig endres under hele UV-lyseksponeringsprosessen, må lysintensiteten fortsette å endreseg 6. I henhold til definisjonen av væskeabsorbans og fast absorbans i ligning 1, er herdeprosessen forenklet. Å ta dataene i begynnelsen av eksponeringen som væskeabsorbans og dataene når lysintensiteten er konstant som fast absorbans er den mest kritiske operasjonen.
Det er verdt å merke seg at denne metoden har en uunngåelig begrensning, som er forenkling av herdingsprosessen. Siden den teoretiske modelleringen av denne metoden ikke tar hensyn til faktorer som oksygenhemming13, er det feil mellom den faktiske arbeidskurven og den teoretiske arbeidskurven. Videre, hvis den eksterne forstyrrelsen er stor, kan den teoretiske arbeidskurven ikke brukes nøyaktig til forskning.
Den tradisjonelle metoden for å oppnå Jacobs arbeidskurve krever flere utskrifter med forskjellige eksponeringstider15. Arbeidskurven oppnås ved å måle trykktykkelsen som tilsvarer eksponeringstiden og tilpasse dataene. Denne metoden krever mye materiale og er svært ineffektiv. Materialets utskriftsevne begrenser nøyaktigheten av arbeidskurven, og observasjon og måling av strukturen forsterker også feilen. Metoden i denne artikkelen for å oppnå arbeidskurven kan spare mange materialer, nøyaktige arbeidskurver kan bare oppnås gjennom enkle materialegenskapstester, og nøyaktigheten av arbeidskurven kan garanteres uavhengig av materialets formbarhet. I DLP-bioprintforskningen, når materialet er veldig mykt (E < 10 kPa), kan det ikke skrives ut godt, og dette vil påvirke utskriftstykkelsesdataene oppnådd ved den tradisjonelle metoden, og dermed påvirke nøyaktigheten av arbeidskurven18. Metoden nevnt i denne protokollen kan gi en løsning for bestemmelse av DLP-utskriftsprosessparametrene for myke biomaterialer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne anerkjenner takknemlig støtten fra National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014), og China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brilliant Blue | Aladdin (Shanghai, China). | 6104-59-2 | |
| DLP software | Creation Workshop | N/A | |
| Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate | N/A | LAP; synthesized | |
| Light source | OmniCure | https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems | 365 nm |
| Polyethylene (glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 455008 | PEGDA Mw ~700 |
| Rheometer | Anton Paar, Austria | MCR302 |
References
- Berthiaume, F., Maguire, T. J., Yarmush, M. L. Tissue engineering and regenerative medicine: history, progress, and challenges. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2 (1), 403-430 (2011).
- Ng, W. L., Chua, C. K., Shen, Y. -F. Print me an organ! Why we are not there yet. Progress in Polymer Science. 97, 101145 (2019).
- Sun, W., et al.
- Jiang, T., Munguia-Lopez, J. G., Flores-Torres, S., Kort-Mascort, J., Kinsella, J. M. Extrusion bioprinting of soft materials: An emerging technique for biological model fabrication. Applied Physics Reviews. 6 (1), 011310 (2019).
- Ng, W., et al. L.cControlling droplet impact velocity and droplet volume: Key factors to achieving high cell viability in sub-nanoliter droplet-based bioprinting. International Journal of Bioprinting. 8 (1), 424 (2021).
- Yu, K., et al. Printability during projection-based 3D bioprinting. Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).
- Zhong, Z., et al. Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses. Biofabrication. 13 (4), (2021).
- Huh, J., et al. Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting. Biofabrication. 13 (3), (2021).
- Saed, A. B., et al. Functionalized poly l-lactic acid synthesis and optimization of process parameters for 3D printing of porous scaffolds via digital light processing (DLP) method. Journal of Manufacturing Processes. 56, 550-561 (2020).
- Ng, W. L., et al. Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges. Biofabrication. 12 (2), 022001 (2020).
- Li, Y., et al. High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing. Additive Manufacturing. 30, 100889 (2019).
- Kelly, B. E., et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).
- Tumbleston, J. R., et al. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).
- Classens, K., Hafkamp, T., Westbeek, S., Remmers, J. J. C., Weiland, S. Multiphysical modeling and optimal control of material properties for photopolymerization processes. Additive Manufacturing. 38, 101520 (2021).
- Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics. RSC Advances. 5 (129), 106621-106632 (2015).
- Hofstetter, C., Orman, S., Baudis, S., Stampfl, J. Combining cure depth and cure degree, a new way to fully characterize novel photopolymers. Additive Manufacturing. 24, 166-172 (2018).
- Li, Y., et al. Theoretical prediction and experimental validation of the digital light processing (DLP) working curve for photocurable materials. Additive Manufacturing. 37, 101716 (2021).
- Wang, M., et al. Molecularly cleavable bioinks facilitate high-performance digital light processing-based bioprinting of functional volumetric soft tissues. Nature Communications. 13 (1), 3317 (2022).
