Name: Caractérisation quantitative des propriétés de bio-encre photosensible liquide pour l’impression numérique continue basée sur le traitement de la lumière (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-04-14T13:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 32 s
Description: Découvrez l'optimisation de l'impression DLP 3D pour l'ingénierie tissulaire en contrôlant la température et la composition des bio-encres. Cette méthode améliore l'efficacité et réduit le gaspillage de matériaux.

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Les auteurs remercient la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention nos 12125205, 12072316 12132014) et la China Postdoctoral Science Foundation (subvention no 2022M712754) pour leur soutien.

1. Préparation théorique
<ol><li>Définir trois paramètres : absorbance liquide (Al), absorbance solide (As) et temps seuil (tT)17.</li>
	<li>Réécrivez la courbe de travail traditionnelle de Jacobs en utilisant ces trois paramètres17 selon l’équation 1: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65277/65277eq01.jpg" style="margin: auto;">(Équation 1) Ici, t H est le temps de durcissement d’une seule couche, etH est la hauteur d’une seule couche.</li>
</ol>2. Acquisition de paramètres
<ol><li>Mesurer le temps seuil de la bio-encre à l’aide d’un rhéomètre équipé d’un élément de contrôle de la température.<ol><li>Utilisez une source lumineuse de 365 nm pour exposer la plate-forme de test du rhéomètre et augmenter l’intensité lumineuse à une certaine valeur.</li>
		<li>Réglez le rhéomètre pour obtenir les données des modules temporels pendant une période de 300 s et prenez chaque point de données toutes les 0,3 s via les options Paramètres temporels du logiciel rhéomètre. Cliquez sur le bouton Démarrer le test du rhéomètre pour démarrer le test , et en même temps, cliquez sur le bouton Démarrer de la source lumineuse.</li>
		<li>À compter du début de l’exposition, lorsque les données du module de stockage sont égales aux données du module de perte, le temps correspondant est reconnu comme le temps seuil. Enregistrez manuellement.</li>
	</ol></li>
	<li>Construire l’équipement d’essai d’absorbance comme indiqué dans le travail précédent17. Utilisez deux lames de verre supérieures et inférieures pour serrer la structure imprimée en forme d’anneau (5 mm de diamètre intérieur, 10 mm de diamètre extérieur) d’une épaisseur de 500 μm afin que le cercle intérieur de l’anneau forme une chambre. Placez la chambre sur la zone d’essai du compteur d’intensité lumineuse et réglez la source lumineuse pour exposer la zone de la chambre. NOTA : La figure 1 montre le diagramme schématique des résultats des essais photorhéologiques et des résultats du traitement des données, ainsi que l’équipement d’essai d’absorbance.<ol><li>Mesurer l’intensité lumineuse incidente (Ii) lorsque la chambre d’essai n’est pas remplie de matériau provenant de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’indicateur d’intensité lumineuse de l’équipement d’essai.</li>
		<li>Remplir la chambre d’essai avec 10 μL de bio-encre.</li>
		<li>Exposer la chambre d’essai avec de la bio-encre à la lumière UV à 365 nm. Obtenir l’intensité lumineuse (Ilh) de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’intensimètre lumineux de l’équipement d’essai.</li>
		<li>Obtenir l’intensité lumineuse lorsque la bioencre est durcie (Ish) de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’indicateur d’intensité lumineuse de l’équipement d’essai lorsque la valeur ne change plus. Cette valeur est l’absorbance solide, jesh.</li>
		<li>Calculer l’absorbance liquide et l’absorbance solide à l’aide des équations 2 et 3 : <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65277/65277eq02.jpg" style="margin: auto;">     Équation 2 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65277/65277eq03.jpg" style="margin: auto;">     Équation 3</li>
	</ol></li>
	<li>Obtenir la courbe de travail de Jacobs selon les paramètres obtenus.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65277/65277fig01.jpg"> Figure 1: Résultats des essais et équipement. (A) Schéma de principe des résultats des essais photorhéologiques et des résultats du traitement des données. B) Équipement d’essai d’absorbance. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Li et al.17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65277/65277fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
3. Paramètres d’impression DLP continue
<ol><li>Utilisez le logiciel DLP pour obtenir l’impression DLP et l’ensemble des paramètres d’impression dans le logiciel comme suit.</li>
	<li>Définissez le temps d’exposition de la première couche comme temps seuil (tT) dans les paramètres du logiciel.<ol><li>Calculer le temps d’exposition des matériaux de durcissement de 10 μmd d’épaisseur selon l’équation 1 et soustraire le temps seuil pour obtenir le temps d’exposition réel pour durcir une seule couche.</li>
	</ol></li>
	<li>Définissez l’intervalle de temps entre les couches adjacentes sur 0 s dans les paramètres du logiciel.</li>
	<li>Démarrez l’imprimante en cliquant sur le bouton Démarrer dans le logiciel d’impression. Lorsque le processus d’impression se termine, terminez l’impression en cliquant sur le bouton Arrêter dans le logiciel d’impression.</li>
</ol>

Caractérisation quantitative des propriétés des bio-encres pour l’impression DLP en continu

<ol><li>Berthiaume, F., Maguire, T. J., Yarmush, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+engineering+and+regenerative+medicine%3A+history%2C+progress%2C+and+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Chemical+and+Biomolecular+Engineering%22%5BJournal%5D)">Tissue engineering and regenerative medicine: history, progress, and challenges.</a> Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2 (1), 403-430 (2011).</li>
<li>Ng, W. L., Chua, C. K., Shen, Y. -F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Print+me+an+organ%21+Why+we+are+not+there+yet%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">Print me an organ! Why we are not there yet.</a> Progress in Polymer Science. 97, 101145(2019).</li>
<li>Sun, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+bioprinting+roadmap%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">The bioprinting roadmap.</a> Biofabrication. 12 (2), 022002(2020).</li>
<li>Jiang, T., Munguia-Lopez, J. G., Flores-Torres, S., Kort-Mascort, J., Kinsella, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extrusion+bioprinting+of+soft+materials%3A+An+emerging+technique+for+biological+model+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Reviews%22%5BJournal%5D)">Extrusion bioprinting of soft materials: An emerging technique for biological model fabrication.</a> Applied Physics Reviews. 6 (1), 011310(2019).</li>
<li>Ng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((L.cControlling+droplet+impact+velocity+and+droplet+volume%3A+Key+factors+to+achieving+high+cell+viability+in+sub-nanoliter+droplet-based+bioprinting%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Bioprinting%22%5BJournal%5D)">L.cControlling droplet impact velocity and droplet volume: Key factors to achieving high cell viability in sub-nanoliter droplet-based bioprinting.</a> International Journal of Bioprinting. 8 (1), 424(2021).</li>
<li>Yu, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Printability+during+projection-based+3D+bioprinting%5BTitle%5D)+AND+%22Bioactive+Materials%22%5BJournal%5D)">Printability during projection-based 3D bioprinting.</a> Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).</li>
<li>Zhong, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioprinting+of+dual+ECM+scaffolds+encapsulating+limbal+stem%2Fprogenitor+cells+in+active+and+quiescent+statuses%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses.</a> Biofabrication. 13 (4), (2021).</li>
<li>Huh, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combinations+of+photoinitiator+and+UV+absorber+for+cell-based+digital+light+processing+%28DLP%29+bioprinting%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting.</a> Biofabrication. 13 (3), (2021).</li>
<li>Saed, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functionalized+poly+l-lactic+acid+synthesis+and+optimization+of+process+parameters+for+3D+printing+of+porous+scaffolds+via+digital+light+processing+%28DLP%29+method%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Manufacturing+Processes%22%5BJournal%5D)">Functionalized poly l-lactic acid synthesis and optimization of process parameters for 3D printing of porous scaffolds via digital light processing (DLP) method.</a> Journal of Manufacturing Processes. 56, 550-561 (2020).</li>
<li>Ng, W. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vat+polymerization-based+bioprinting-process%2C+materials%2C+applications+and+regulatory+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges.</a> Biofabrication. 12 (2), 022001(2020).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-fidelity+and+high-efficiency+additive+manufacturing+using+tunable+pre-curing+digital+light+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing.</a> Additive Manufacturing. 30, 100889(2019).</li>
<li>Kelly, B. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+additive+manufacturing+via+tomographic+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.</a> Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).</li>
<li>Tumbleston, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+liquid+interface+production+of+3D+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Continuous liquid interface production of 3D objects.</a> Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).</li>
<li>Classens, K., Hafkamp, T., Westbeek, S., Remmers, J. J. C., Weiland, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphysical+modeling+and+optimal+control+of+material+properties+for+photopolymerization+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Multiphysical modeling and optimal control of material properties for photopolymerization processes.</a> Additive Manufacturing. 38, 101520(2021).</li>
<li>Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+approach+to+resin+formulation+for+3D+printed+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics.</a> RSC Advances. 5 (129), 106621-106632 (2015).</li>
<li>Hofstetter, C., Orman, S., Baudis, S., Stampfl, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+cure+depth+and+cure+degree%2C+a+new+way+to+fully+characterize+novel+photopolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Combining cure depth and cure degree, a new way to fully characterize novel photopolymers.</a> Additive Manufacturing. 24, 166-172 (2018).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+prediction+and+experimental+validation+of+the+digital+light+processing+%28DLP%29+working+curve+for+photocurable+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Theoretical prediction and experimental validation of the digital light processing (DLP) working curve for photocurable materials.</a> Additive Manufacturing. 37, 101716(2021).</li>
<li>Wang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecularly+cleavable+bioinks+facilitate+high-performance+digital+light+processing-based+bioprinting+of+functional+volumetric+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Molecularly cleavable bioinks facilitate high-performance digital light processing-based bioprinting of functional volumetric soft tissues.</a> Nature Communications. 13 (1), 3317(2022).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Les étapes critiques de ce protocole sont décrites à la section 2. Il est nécessaire d’unifier l’intensité lumineuse utilisée dans l’essai photorhéologique et l’intensité lumineuse d’impression dans les essais réels. L’équipement de test d’absorbance est la partie la plus importante. La forme de la chambre d’essai doit être la même que la zone photosensible de l’intensimètre lumineux. En raison des propriétés des matériaux qui changent continuellement pendant tout le processus d’exposition à la lumière UV, l’intensité lu...

L’ingénierie tissulaire1 est importante dans le domaine de la réparation d’organes. En raison du manque de don d’organes, certaines maladies, telles que l’insuffisance hépatique et l’insuffisance rénale, ne peuvent pas être bien guéries et de nombreux patients ne reçoivent pas de traitement en temps opportun2. Les organoïdes ayant la fonction requise des organes peuvent résoudre le problème causé par le manque de don d’organes. La construction des organoïdes dépend des progrès et du développement de la technologie de bio-impression3.
Par rapport à la bio-impression de type extrusion 4 et à la bioimpression à jet d’encre5, la vitesse d’impression et la précision d’impression de la méthodede bioimpression numérique par traitement de la lumière (DLP) sont plus élevées 6,7. Le module d’impression de la méthode d’extrusion est ligne par ligne, tandis que le module d’impression de la méthode de type jet d’encre est point par point, ce qui est moins efficace que le module d’impression couche par couche de la bio-impression DLP. L’exposition à la lumière ultraviolette (UV) modulée à une couche entière de matériau pour durcir une couche dans la bio-impression DLP et la taille des caractéristiques de l’image déterminent la précision de l’impression DLP. Cela rend la technologie DLP très efficace 8,9,10. En raison du surdurcissement de la lumière UV, la relation précise entre le temps de durcissement et la taille d’impression est importante pour la bio-impression DLP de haute précision. En outre, l’impression DLP continue est une modification de la méthode d’impression DLP qui peut grandement améliorer l’efficacité d’impression11,12,13. Pour l’impression DLP continue, les conditions d’impression précises sont les facteurs les plus importants.
La relation entre le temps de durcissement et la taille d’impression est appelée courbe de travail de Jacobs, qui est largement utilisée dans l’impression DLP14,15,16. La méthode traditionnelle pour obtenir la relation consiste à exposer le matériau pendant un certain temps et à mesurer l’épaisseur de durcissement pour obtenir un point de données sur le temps d’exposition et l’épaisseur de durcissement. En répétant cette opération au moins cinq fois et en ajustant les points de données, on obtient la courbe de travail de Jacobs. Cependant, cette méthode présente des inconvénients évidents; il doit consommer beaucoup de matériau pour réaliser le durcissement, les résultats dépendent fortement des conditions d’impression, les bio-encres utilisées dans la bio-impression DLP sont chères et rares, et la formabilité des bio-encres n’est généralement pas bonne, ce qui peut conduire à des mesures inexactes de l’épaisseur de durcissement.
Cet article fournit une nouvelle méthode pour obtenir la relation de durcissement en fonction des propriétés physiques de la bio-encre. L’utilisation de cette théorie permet d’optimiser l’impression DLP continue. Cette méthode peut être utilisée pour obtenir la relation de durcissement plus rapidement et avec plus de précision; le durcissement DLP continu peut donc être mieux déterminé.

<table><tbody><tr><td>Brilliant Blue</td><td>Aladdin (Shanghai, Chine).</td><td>6104-59-2&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Logiciel DLP</td><td>Atelier de création</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Lithium phényl-2,4,6-triméthylbenzoylphosphinate</td><td></td><td>N/A</td><td>LAP ; synthétisé</td></tr><tr><td>Source lumineuse</td><td>OmniCure</td><td>https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems</td><td>365 nm</td></tr><tr><td>Polyéthylène (glycol) diacrylate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008</td><td>PEGDA Mw ~700</td></tr><tr><td>Rhéomètre&nbsp ;</td><td>Anton Paar, Autriche</td><td>MCR302</td><td></td></tr></tbody></table>

caractérisation quantitative des propriétés de bio-encre photosensible liquide pour l’impression numérique continue basée sur le traitement de la lumière

Quantitative Characterization of Liquid Photosensitive Bioink Properties for Continuous Digital Light Processing Based Printing

La fabrication d’impression précise de bio-encres est une condition préalable à l’ingénierie tissulaire; la courbe de travail de Jacobs est l’outil permettant de déterminer les paramètres d’impression précis du traitement numérique de la lumière (DLP). Cependant, l’acquisition de courbes de travail gaspille des matériaux et nécessite une grande formabilité des matériaux, qui ne conviennent pas aux biomatériaux. En outre, la réduction de l’activité cellulaire due à des expositions multiples et l’échec de la formation structurelle dû à des positionnements répétés sont deux problèmes inévitables dans la bio-impression DLP conventionnelle. Ce travail introduit une nouvelle méthode d’obtention de la courbe de travail et le processus d’amélioration de la technologie d’impression DLP continue basée sur une telle courbe de travail. Cette méthode d’obtention de la courbe de travail est basée sur l’absorbance et les propriétés photorhéologiques des biomatériaux, qui ne dépendent pas de la formabilité des biomatériaux. Le processus d’impression DLP continu, obtenu en améliorant le processus d’impression en analysant la courbe de travail, augmente l’efficacité d’impression plus que décupler et améliore considérablement l’activité et la fonctionnalité des cellules, ce qui est bénéfique pour le développement de l’ingénierie tissulaire.

Cet article montre une nouvelle méthode pour obtenir des paramètres de durcissement et introduit une nouvelle façon d’obtenir une impression DLP continue, démontrant l’efficacité de cette méthode dans la détermination de la courbe de travail.
Nous avons utilisé trois matériaux différents dans l’impression DLP pour vérifier la précision de la courbe de travail théorique obtenue par la méthode présentée dans cet article. Les matériaux sont 20% (v / v) de diacrylate de polyéthylène (glycol) (PEGD...

Cette étude utilise la température et la composition des matériaux pour contrôler les propriétés de contrainte d’élasticité des fluides de contrainte d’élasticité. L’état solide de l’encre peut protéger la structure d’impression, et l’état liquide peut continuellement remplir la position d’impression, réalisant le traitement numérique de la lumière 3D d’encres biologiques extrêmement douces.

Caractérisation quantitative des propriétés de bio-encre photosensible liquide pour l’impression numérique continue basée sur le traitement de la lumière

Precise printing fabrication of bioinks is a prerequisite for tissue engineering; the Jacobs working curve is the tool to determine the precise printing ...

Mes recherches portent principalement sur la bio-impression 3D DLP et l’ingénierie tissulaire. Nous essayons d’optimiser et d’améliorer le processus d’impression DLP et la théorie des formules, afin que l’échafaudage d’ingénierie tissulaire imprimé puisse mieux répondre aux besoins réels de l’application clinique. Les conditions d’impression des matériaux photopolymérisables existants reposent sur des expériences manuelles et sont obtenues en alimentant les données de multiples expériences réalisées.De telles expériences gaspillent du matériel et réduisent l’efficacité de l’impression. J’ai construit une courbe de travail théorique et déterminé les pyramides d’impression DLP uniquement en fonction des propriétés physiques du matériau. Dynamics both best concept est proposé pour être appliqué dans l’impression DLP pour réaliser le format DLP de structures dimensionnelles complexes de matériaux extrêmement mous.Cette méthode peut améliorer l’efficacité de la détermination des conditions d’impression des matériaux photodurcissables. Cette technologie peut fournir un soutien technique pour la recherche et le développement de matériaux photodurcissables et l’impression précise de ces matériaux.

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