מאמר שיטה

אפיון כמותי של תכונות ביודיו נוזלי רגיש לאור להדפסה רציפה מבוססת עיבוד אור דיגיטלי

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 באפריל 2023

 ,  ,  , 
1School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University, 2Department of Engineering Mechanics, Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province, Zhejiang University, 3The State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, 4Institute of Artificial Intelligence, School of Future Technology, Shanghai University

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה משתמש בטמפרטורה ובהרכב החומרים כדי לשלוט בתכונות עקת התשואה של נוזלי עקת התשואה. המצב המוצק של הדיו יכול להגן על מבנה ההדפסה, והמצב דמוי הנוזל יכול למלא ברציפות את מיקום ההדפסה, תוך מימוש עיבוד האור הדיגיטלי הדפסה תלת-ממדית של דיו ביולוגי רך במיוחד.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ייצור הדפסה מדויקת של דיו ביולוגי הוא תנאי מוקדם להנדסת רקמות; עקומת העבודה של ג'ייקובס היא הכלי לקביעת פרמטרי ההדפסה המדויקים של עיבוד אור דיגיטלי (DLP). עם זאת, רכישת עקומות עבודה מבזבזת חומרים ודורשת יכולת עיצוב גבוהה של חומרים, שאינם מתאימים לביו-חומרים. בנוסף, הפחתת פעילות התא עקב חשיפות מרובות וכישלון היווצרות מבנית עקב מיקום חוזר הן בעיות בלתי נמנעות בהדפסה ביולוגית קונבנציונלית של DLP. עבודה זו מציגה שיטה חדשה להשגת עקומת העבודה ותהליך השיפור של טכנולוגיית הדפסת DLP רציפה המבוססת על עקומת עבודה כזו. שיטה זו להשגת עקומת העבודה מבוססת על תכונות הספיגה והפוטוראולוגיות של הביו-חומרים, שאינן תלויות ביכולת הצורה של הביו-חומרים. תהליך ההדפסה הרציף של DLP, המתקבל משיפור תהליך ההדפסה על ידי ניתוח עקומת העבודה, מגדיל את יעילות ההדפסה יותר מפי עשרה ומשפר מאוד את הפעילות והפונקציונליות של תאים, מה שמועיל להתפתחות הנדסת רקמות.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הנדסת רקמות1 חשובה בתחום תיקון איברים. בשל היעדר תרומת איברים, מחלות מסוימות, כגון אי ספיקת כבד ואי ספיקת כליות, אינן ניתנות לריפוי טוב, וחולים רבים אינם מקבלים טיפול בזמן2. אורגנואידים עם התפקוד הנדרש של האיברים עשויים לפתור את הבעיה הנגרמת על ידי חוסר תרומת איברים. בניית אורגנואידים תלויה בהתקדמות ופיתוח טכנולוגיית ההדפסה הביולוגית3.

בהשוואה להדפסה ביולוגית מסוג אקסטרוזיה4 והדפסה ביולוגית מסוג הזרקת דיו5, מהירות ההדפסה ודיוק ההדפסה של שיטת ההדפסה הביולוגית של עיבוד אור דיגיטלי (DLP) גבוהים יותר 6,7. מודול ההדפסה של שיטת סוג האקסטרוזיה הוא שורה אחר שורה, ואילו מודול ההדפסה של שיטת הזרקת הדיו הוא נקודה אחר נקודה, שהוא פחות יעיל ממודול ההדפסה שכבה אחר שכבה של הדפסה ביולוגית DLP. החשיפה לאור אולטרה סגול (UV) מאופנן לשכבה שלמה של חומר כדי לרפא שכבה בהדפסה ביולוגית של DLP וגודל התכונות של התמונה קובע את הדיוק של הדפסת DLP. זה הופך את טכנולוגיית DLP ליעילה מאוד 8,9,10. בשל כיסוי יתר של אור UV, הקשר המדויק בין זמן הריפוי לגודל ההדפסה חשוב להדפסה ביולוגית DLP ברמת דיוק גבוהה. יתר על כן, הדפסת DLP רציפה היא שינוי של שיטת הדפסת DLP שיכול לשפר מאוד את יעילות ההדפסה11,12,13. עבור הדפסת DLP רציפה, תנאי הדפסה מדויקים הם הגורמים החשובים ביותר.

הקשר בין זמן הריפוי לגודל ההדפסה נקרא עקומת העבודה של ג'ייקובס, אשר נמצאת בשימוש נרחב בהדפסת DLP14,15,16. השיטה המסורתית להשגת הקשר היא לחשוף את החומר לזמן מסוים ולמדוד את עובי הריפוי כדי לקבל נקודת נתונים על זמן החשיפה ועובי הריפוי. חזרה על פעולה זו לפחות חמש פעמים והתאמת נקודות הנתונים מקבלת את עקומת העבודה של ג'ייקובס. עם זאת, שיטה זו יש חסרונות ברורים; הוא צריך לצרוך חומר רב כדי להשיג את הריפוי, התוצאות תלויות מאוד בתנאי ההדפסה, הביודיו המשמש בהדפסה ביולוגית DLP הוא יקר ונדיר, ויכולת הצורה של הביודיו בדרך כלל אינה טובה, מה שעלול להוביל למדידות לא מדויקות של עובי הריפוי.

מאמר זה מספק שיטה חדשה להשגת יחסי הריפוי בהתאם לתכונות הפיזיקליות של הביו-דיו. שימוש בתיאוריה זו יכול למטב הדפסת DLP רציפה. שיטה זו יכולה לשמש כדי להשיג את יחסי הריפוי בצורה מהירה ומדויקת יותר; לכן ניתן לקבוע טוב יותר את ריפוי ה- DLP הרציף.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנה תיאורטית

  1. הגדר שלושה פרמטרים: ספיגת נוזלים (Al), ספיגה מוצקה (As) וזמן סף (tT)17.
  2. כתוב מחדש את עקומת העבודה המסורתית של ג'ייקובס באמצעות שלושת הפרמטרים הבאים17 לפי משוואה 1:
    figure-protocol-1(משוואה 1)
    כאן, t H הוא זמן הריפוי של שכבה אחת בודדת,ו-H הוא גובהה של שכבה בודדת אחת.

2. רכישת פרמטרים

  1. מדוד את זמן הסף של הדיו הביולוגי באמצעות ראומטר המצויד באלמנט לבקרת טמפרטורה.
    1. השתמש במקור אור של 365 ננומטר כדי לחשוף את פלטפורמת הבדיקה של הריומטר ולהפוך את עוצמת האור לערך מסוים.
    2. הגדר את הריאומטר כדי לקבל את נתוני מודולי הזמן במהלך תקופה של 300 שניות, וקח כל נקודת נתונים כל 0.3 שניות דרך אפשרויות הגדרות הזמן בתוכנת הריומטר. לחץ על לחצן התחל בדיקה של המד כדי להתחיל את הבדיקה ובמקביל, לחץ על לחצן התחל של מקור האור.
    3. ספירה מתחילת החשיפה, כאשר נתוני מודולוס האחסון שווים לנתוני מודולוס האובדן, הזמן המתאים מזוהה כזמן הסף. הקלט ידנית.
  2. בנה את ציוד בדיקת הספיגה כפי שהוצג בעבודה הקודמת17. השתמש בשתי שקופיות זכוכית עליונות ותחתונות כדי להדק את המבנה המודפס בצורת טבעת (קוטר פנימי 5 מ"מ, קוטר חיצוני 10 מ"מ) בעובי של 500μm כך שהמעגל הפנימי של הטבעת יוצר חדר. הניחו את התא על אזור הבדיקה של מד עוצמת האור וכוונו את מקור האור כך שיחשוף את אזור התא.
    הערה: איור 1 מציג את התרשים הסכמטי של תוצאות בדיקות פוטוראולוגיות ותוצאות עיבוד נתונים, ואת ציוד בדיקת הספיגה.
    1. מדוד את עוצמת האור של האירוע (Ii) כאשר תא הבדיקה אינו מלא בחומר מציוד בדיקת הספיגה על ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה.
    2. מלא את תא הבדיקה בדיו ביולוגי של 10 μLof.
    3. חשוף את תא הבדיקה עם דיו ביולוגי לאור UV ברזולוציה של 365 ננומטר. קבל את עוצמת האור (Ilh) מציוד בדיקת הספיגה על ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה.
    4. השג את עוצמת האור כאשר הדיו הביולוגי נרפא (Ish) מציוד בדיקת הספיגה על-ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה כאשר הערך אינו משתנה עוד. ערך זה הוא הספיגה המוצקה, אניש.
    5. חשב את ספיגת הנוזלים וספיגת המוצקים באמצעות משוואות 2 ו- 3:
      figure-protocol-2     משוואה 2
      figure-protocol-3     משוואה 3
  3. קבל את עקומת העבודה של ג'ייקובס בהתאם לפרמטרים שהתקבלו.

figure-protocol-4
איור 1: תוצאות בדיקות וציוד. (A) תרשים סכמטי של תוצאות בדיקות פוטוראולוגיות ותוצאות עיבוד נתונים. (ב) ציוד לבדיקת ספיגה. נתון זה שונה באישור Li et al.17. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

3. הגדרות פרמטר הדפסה רציף של DLP

  1. השתמש בתוכנת DLP כדי להשיג הדפסת DLP, ואת קבוצת פרמטרי ההדפסה בתוכנה באופן הבא.
  2. הגדר את זמן החשיפה של השכבה הבודדת הראשונה כזמן הסף (tT) בהגדרות הפרמטרים של התוכנה.
    1. חשב את זמן החשיפה של ריפוי חומרים בעובי 10 מיקרומטר לפי משוואה 1 והחסר את זמן הסף כדי לקבל את זמן החשיפה האמיתי לריפוי שכבה בודדת.
  3. הגדר את מרווח הזמן בין שכבות סמוכות ל- 0 שניות בהגדרות הפרמטרים של התוכנה.
  4. הפעל את המדפסת על-ידי לחיצה על לחצן התחל בתוכנת ההדפסה. כאשר תהליך ההדפסה מסתיים, סיים את ההדפסה על-ידי לחיצה על לחצן עצור בתוכנת ההדפסה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאמר זה מציג שיטה חדשה להשגת פרמטרים ריפוי ומציג דרך חדשה להשגת הדפסת DLP רציפה, המדגימה את היעילות של שיטה זו בקביעת עקומת העבודה.

השתמשנו בשלושה חומרים שונים בהדפסת DLP כדי לאמת את הדיוק של עקומת העבודה התיאורטית המתקבלת בשיטה שהוצגה במאמר זה. החומרים הם 20% (v/v) פוליאתילן (גליקול) דיאקרילט (PEGDA), 0.5% (w/v) ליתיום פניל-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) עם ריכוזים שונים של בולם UV-0.1% (w / v), 0.15% (w / v), ו 0.2% (w / v) כחול מבריק. נתוני עובי הריפוי האמיתיים עם עקומות העבודה התי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השלבים הקריטיים של פרוטוקול זה מתוארים בסעיף 2. יש צורך לאחד את עוצמת האור המשמשת במבחן הפוטוריאולוגיה ואת עוצמת האור המודפסת בבדיקות בפועל. ציוד בדיקת הספיגה הוא החלק החשוב ביותר. צורת תא הבדיקה צריכה להיות זהה לאזור הרגיש לאור של מד עוצמת האור. בשל תכונות החומרים המשתנים ללא הרף במהלך כל תהליך החשיפה לאור UV, עוצמת האור צריכה להמשיך להשתנות6. על פי ההגדרה של ספיגת נוזלים וספיגת מוצקים במשוואה 1, תהליך הריפוי הוא פשוט. אם ניקח את הנתונים בתחילת החשיפה כבליעת נוזלים ואת הנתונים כאשר עוצמת האור קבו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים בהכרת תודה על התמיכה הניתנת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מס '12125205, 12072316, 12132014), והקרן למדע פוסט-דוקטורט בסין (מענק מס '2022M712754).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אלאדין כחול מבריק(שנחאי, סין).6104-59-2 
סדנת יצירתתוכנת DLPN/A
ליתיום פניל-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinateN/ALAP; מקור אור מסונתז
OmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 ננומטר
פוליאתילן (גליקול) דיאקרילטסיגמא-אולדריץ'455008PEGDA Mw ~700
ריאומטר Anton Paar, אוסטריהMCR302

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. Sun, W., et al. The bioprinting roadmap. Biofabrication. 12 (2), 022002(2020).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Yu, K., et al. Printability during projection-based 3D bioprinting. Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).
  7. Zhong, Z., et al. Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses. Biofabrication. 13 (4), (2021).
  8. Huh, J., et al. Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting. Biofabrication. 13 (3), (2021).
  9. 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).
  10. Ng, W. L., et al. Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges. Biofabrication. 12 (2), 022001(2020).
  11. Li, Y., et al. High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing. Additive Manufacturing. 30, 100889(2019).
  12. Kelly, B. E., et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).
  13. Tumbleston, J. R., et al. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

DLP BioprintingWorking CurvePhotocurable MaterialsTissue EngineeringContinuous DLP PrintingPhotorheological PropertiesAbsorbance MeasurementPrinting Efficiency3D Bioprinting

מאמרים קשורים