基于连续数字光处理打印的液态光敏生物墨水性能定量表征

摘要

本研究利用温度和材料组成来调控具有屈服应力流体的屈服应力特性。墨水的类固态可保护打印结构，而类液态则能持续填充打印位置，从而实现极软生物墨水的数字光处理三维打印。

摘要

生物墨水的精确打印制备是组织工程的前提条件；Jacobs工作曲线是确定数字光处理（DLP）精确打印参数的工具。然而，获取工作曲线会浪费材料，并要求材料具有较高的成形能力，这并不适用于生物材料。此外，在传统DLP生物打印中，细胞活性因多次曝光而降低，以及因重复定位导致结构无法形成，都是不可避免的问题。本研究提出了一种获取工作曲线的新方法，并基于该工作曲线改进了连续DLP打印技术。该工作曲线的获取方法基于生物材料的吸光度和光流变特性，不依赖于生物材料的成形能力。通过分析工作曲线优化打印工艺所获得的连续DLP打印过程，使打印效率提高十倍以上，显著提升了细胞的活性与功能，有利于组织工程的发展。

引言

组织工程¹在器官修复领域具有重要意义。由于器官捐献的缺乏，一些疾病（如肝衰竭和肾衰竭）难以得到有效治疗，许多患者无法及时获得救治²。具备目标器官功能的类器官有望解决器官捐献短缺所带来的问题。类器官的构建依赖于生物打印技术的进步与发展³。

与挤出式生物打印⁴和喷墨式生物打印⁵相比，数字光处理（DLP）生物打印方法的打印速度和打印精度更高^6,7。挤出式方法的打印模块为逐行打印，而喷墨式方法为逐点打印，均不如DLP生物打印的逐层打印模块高效。在DLP生物打印中，通过调制紫外（UV）光对整层材料进行曝光以实现层固化，图像的特征尺寸决定了DLP打印的精度。这使得DLP技术具有很高的效率^8,9,10。由于紫外光的过度固化，固化时间与打印尺寸之间的精确关系对于高精度DLP生物打印至关重要。此外，连续DLP打印是DLP打印方法的一种改进，可显著提高打印效率....

方案

1. 理论准备

1. 定义三个参数：液体吸光度（A_l）、固体吸光度（A_s）和阈值时间（t_T）¹⁷。
2. 根据公式1，使用这三个参数重写传统的雅各布工作曲线¹⁷：
        (公式1)
   其中，t_H 表示单层的固化时间，H 表示单层的高度。

2. 参数获取

1. 使用配备温度控制元件的流变仪测量生物墨水的阈值时间。
   1. 使用365 nm光源照射流变仪的测试平台，并将光强调节至某一特定值。
   2. 将流变仪设置为获取 时间-模量 在300秒的时间段内采集数据，每隔0.3秒获取一个数据点 时....

结果

本文介绍了一种获取固化参数的新方法，并提出了一种实现连续DLP打印的新途径，展示了该方法在确定工作曲线方面的高效性。

我们采用三种不同的材料进行DLP打印，以验证通过本文介绍的方法获得的理论工作曲线的准确性。这些材料为20% (v/v) 聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），0.5% (w/v) 氩基苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂（LAP），并添加不同浓度的紫外吸收剂——0.1% (w/v)、0.15% (w/v) 和 0.2% (w/v) 亮蓝。实际固化厚度数据与理论工作曲线如图2所示。

讨论

本方案的关键步骤在第2节中进行了描述。在实际测试中，必须统一光流变测试所用的光强与打印时的光强。吸光度测试设备是最重要的部分。测试腔的形状应与光强计的感光区域相同。由于材料在整个紫外光照射过程中性质持续发生变化，光强也需要持续改变⁶。根据公式1中对液体吸光度和固体吸光度的定义，固化过程被简化。将曝光初期的数据作为液体吸光度，将光强趋于稳定时的数据作为固体吸光度，是该方法最关键的步骤。

值得注意的是，该方法存在一个不可避免的局限性，即对固化过程进行了简化。由于该方法的理论建模未考虑氧气抑制等因素¹³，实际工作曲线与理论工作曲线之间存在误差。此外，若外界干扰较大，则无法准确利用理论工作曲线开展研究。

传统上获取Jacobs工作曲线的方法需要多次以不同的曝光时间进行打印¹⁵。通过测量与各曝光时间相对应的打印厚度并拟合数据，可获得工作曲线。该方法消耗大量材料，效率极低。材料的可打印性限制了工作.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
亮蓝	阿拉丁（中国上海）	6104-59-2
DLP 软件	Creation Workshop	不适用
苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂		不适用	LAP；自行合成
光源	OmniCure	https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems	365 nm
聚乙二醇二丙烯酸酯	Sigma-Aldrich	455008	PEGDA 分子量 ~700
流变仪	Anton Paar，奥地利	MCR302