Articolo metodologico

Caratterizzazione quantitativa delle proprietà del bioink fotosensibile liquido per la stampa basata sull'elaborazione continua della luce digitale

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 aprile 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

In questo articolo

Sommario

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

Questo studio utilizza la temperatura e la composizione del materiale per controllare le proprietà di tensione di snervamento dei fluidi da sforzo di snervamento. Lo stato solido dell'inchiostro può proteggere la struttura di stampa e lo stato liquido può riempire continuamente la posizione di stampa, realizzando la stampa 3D di bioink estremamente morbidi.

Abstract

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

La fabbricazione precisa di bioink di stampa è un prerequisito per l'ingegneria tissutale; la curva di lavoro di Jacobs è lo strumento per determinare i parametri di stampa precisi dell'elaborazione della luce digitale (DLP). Tuttavia, l'acquisizione di curve di lavoro spreca materiali e richiede un'elevata formabilità di materiali, che non sono adatti per i biomateriali. Inoltre, la riduzione dell'attività cellulare dovuta a esposizioni multiple e il fallimento della formazione strutturale a causa del posizionamento ripetuto sono entrambi problemi inevitabili nel bioprinting DLP convenzionale. Questo lavoro introduce un nuovo metodo per ottenere la curva di lavoro e il processo di miglioramento della tecnologia di stampa DLP continua basata su tale curva di lavoro. Questo metodo per ottenere la curva di lavoro si basa sull'assorbanza e sulle proprietà fotoreologiche dei biomateriali, che non dipendono dalla formabilità dei biomateriali. Il processo di stampa DLP continuo, ottenuto migliorando il processo di stampa analizzando la curva di lavoro, aumenta l'efficienza di stampa più di dieci volte e migliora notevolmente l'attività e la funzionalità delle cellule, il che è vantaggioso per lo sviluppo dell'ingegneria tissutale.

Introduzione

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

L'ingegneria tissutale1 è importante nel campo della riparazione degli organi. A causa della mancanza di donazione di organi, alcune malattie, come l'insufficienza epatica e l'insufficienza renale, non possono essere curate bene e molti pazienti non ricevono un trattamento tempestivo2. Gli organoidi con la funzione richiesta degli organi possono risolvere il problema causato dalla mancanza di donazione di organi. La costruzione di organoidi dipende dal progresso e dallo sviluppo della tecnologia di bioprinting3.

Rispetto al bioprinting di tipo estruso4 e al bioprinting a getto d'inchiostro5, la velocità di stampa e la precisione di stampa del metodo di bioprinting DLP (Digital Light Processing) sono superioria 6,7. Il modulo di stampa del metodo di estrusione è riga per riga, mentre il modulo di stampa del metodo a getto d'inchiostro è punto per punto, che è meno efficiente del modulo di stampa strato per strato del bioprinting DLP. L'esposizione modulata alla luce ultravioletta (UV) a un intero strato di materiale per polimerizzare uno strato nel bioprinting DLP e la dimensione della caratteristica dell'immagine determinano l'accuratezza della stampa DLP. Questo rende la tecnologia DLP molto efficiente 8,9,10. A causa dell'eccessiva polimerizzazione della luce UV, la relazione precisa tra il tempo di polimerizzazione e le dimensioni di stampa è importante per il bioprinting DLP ad alta precisione. Inoltre, la stampa DLP continua è una modifica del metodo di stampa DLP che può migliorare notevolmente l'efficienza di stampa11,12,13. Per la stampa DLP continua, le condizioni di stampa precise sono i fattori più importanti.

La relazione tra il tempo di polimerizzazione e le dimensioni di stampa è chiamata curva di lavoro di Jacobs, ampiamente utilizzata nella stampa DLP14,15,16. Il metodo tradizionale per ottenere la relazione è quello di esporre il materiale per un certo tempo e misurare lo spessore di polimerizzazione per ottenere un punto dati sul tempo di esposizione e sullo spessore di polimerizzazione. Ripetendo questa operazione almeno cinque volte e adattando i punti dati si ottiene la curva di lavoro di Jacobs. Tuttavia, questo metodo presenta evidenti svantaggi; ha bisogno di consumare molto materiale per ottenere la polimerizzazione, i risultati dipendono fortemente dalle condizioni di stampa, i bioink utilizzati nel bioprinting DLP sono costosi e rari e la formabilità dei bioink di solito non è buona, il che può portare a misurazioni imprecise dello spessore di polimerizzazione.

Questo articolo fornisce un nuovo metodo per ottenere la relazione di polimerizzazione in base alle proprietà fisiche del bioink. L'utilizzo di questa teoria consente di ottimizzare la stampa DLP continua. Questo metodo può essere utilizzato per ottenere la relazione di polimerizzazione in modo più rapido e accurato; la polimerizzazione continua DLP può quindi essere meglio determinata.

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Protocollo

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

1. Preparazione teorica

  1. Definire tre parametri: assorbanza del liquido (Al), assorbanza solida (As) e tempo di soglia (tT)17.
  2. Riscrivi la tradizionale curva di lavoro di Jacobs usando questi tre parametri17 secondo l'equazione 1:
    figure-protocol-1(Equazione 1)
    Qui, t H è il tempo di polimerizzazione di un singolo strato eH è l'altezza di un singolo strato.

2. Acquisizione dei parametri

  1. Misurare il tempo di soglia del bioink utilizzando un reometro dotato di un elemento per il controllo della temperatura.
    1. Utilizzare una sorgente luminosa a 365 nm per esporre la piattaforma di prova del reometro e rendere l'intensità della luce a un certo valore.
    2. Impostare il reometro per ottenere i dati Time-Moduli durante un periodo di 300 s e prendere ogni punto dati ogni 0,3 s attraverso le opzioni Time Settings nel software del reometro. Fare clic sul pulsante Avvia test del reometro per avviare il test e, allo stesso tempo, fare clic sul pulsante Start della sorgente luminosa.
    3. Contando dall'inizio dell'esposizione, quando i dati del modulo di memorizzazione sono uguali ai dati del modulo di perdita, il tempo corrispondente viene riconosciuto come tempo di soglia. Registra manualmente.
  2. Costruire l'apparecchiatura di prova dell'assorbanza come mostrato nel lavoro precedente17. Utilizzare due vetrini superiore e inferiore per bloccare la struttura stampata a forma di anello (diametro interno 5 mm, diametro esterno 10 mm) con uno spessore di 500 μm in modo che il cerchio interno dell'anello formi una camera. Posizionare la camera sull'area di prova del misuratore di intensità luminosa e impostare la sorgente luminosa per esporre l'area della camera.
    NOTA: La figura 1 mostra il diagramma schematico dei risultati dei test fotoreologici e dei risultati dell'elaborazione dei dati, nonché l'apparecchiatura di prova di assorbanza.
    1. Misurare l'intensità della luce incidente (Ii) quando la camera di prova non è riempita di materiale proveniente dall'apparecchiatura di prova di assorbanza leggendo il display del misuratore di intensità luminosa dell'apparecchiatura di prova.
    2. Riempire la camera di prova con 10 μL di bioink.
    3. Esporre la camera di prova con bioink alla luce UV a 365 nm. Ottenere l'intensità luminosa (Ilh) dall'apparecchiatura di prova di assorbanza leggendo il display del misuratore di intensità luminosa dell'apparecchiatura di prova.
    4. Ottenere l'intensità della luce quando il bioink viene polimerizzato (Ish) dall'apparecchiatura di prova di assorbanza leggendo il display del misuratore di intensità luminosa dell'apparecchiatura di prova quando il valore non cambia più. Questo valore è l'assorbanza solida, Ish.
    5. Calcolare l'assorbanza del liquido e dell'assorbanza solida usando le equazioni 2 e 3:
      figure-protocol-2     Equazione 2
      figure-protocol-3     Equazione 3
  3. Ottenere la curva di lavoro di Jacobs in base ai parametri ottenuti.

figure-protocol-4
Figura 1: Risultati delle prove e attrezzature. (A) Schema dei risultati delle prove fotoreologiche e dei risultati dell'elaborazione dei dati. b) apparecchiature per prove di assorbanza. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Li et al.17. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

3. Impostazioni dei parametri di stampa DLP continua

  1. Utilizzare il software DLP per ottenere la stampa DLP e il set di parametri di stampa nel software come indicato di seguito.
  2. Impostare il tempo di esposizione del primo singolo strato come tempo di soglia (tT) nelle impostazioni dei parametri del software.
    1. Calcolare il tempo di esposizione della polimerizzazione di materiali spessi 10 μm secondo l'equazione 1 e sottrarre il tempo di soglia per ottenere il tempo di esposizione reale per l'indurimento di un singolo strato.
  3. Impostare l'intervallo di tempo tra livelli adiacenti su 0 s nelle impostazioni dei parametri del software.
  4. Avviare la stampante facendo clic sul pulsante Start nel software di stampa. Al termine del processo di stampa, terminare la stampa facendo clic sul pulsante Stop nel software di stampa.

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Risultati

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

Questo articolo mostra un nuovo metodo per ottenere i parametri di polimerizzazione e introduce un nuovo modo per ottenere la stampa DLP continua, dimostrando l'efficienza di questo metodo nel determinare la curva di lavoro.

Abbiamo utilizzato tre diversi materiali nella stampa DLP per verificare l'accuratezza della curva di lavoro teorica ottenuta con il metodo introdotto in questo articolo. I materiali sono 20% (v / v) polietilene (glicole) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p / v) litio fenil-2,4,6-...

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Discussione

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

I passaggi critici di questo protocollo sono descritti nella sezione 2. È necessario unificare l'intensità luminosa utilizzata nel test fotoreologico e l'intensità della luce di stampa nei test effettivi. L'apparecchiatura di prova di assorbanza è la parte più importante. La forma della camera di prova deve essere la stessa dell'area fotosensibile del misuratore di intensità luminosa. A causa delle proprietà dei materiali che cambiano continuamente durante l'intero processo di esposizione alla luce UV, l'intensità della ...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno fornito dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) e dalla China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
BrilliantBlue Aladdin (Shanghai, Cina).6104-59-2 
Software DLPCreazione WorkshopN/A
Litio fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinatoN/ALAP; sintetizzato
Sorgente luminosaOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 nm
Polietilene (glicole) diacrilatoSigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~700
Reometro Anton Paar, AustriaMCR302

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
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  12. Kelly, B. E., et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).
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  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).
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