Methodenartikel

Kwantitatieve karakterisering van vloeibare lichtgevoelige bioink-eigenschappen voor continu digitaal afdrukken op basis van lichtverwerking

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 april 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 dit artikel

Samenvatting

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

Deze studie maakt gebruik van temperatuur en materiaalsamenstelling om de vloeispanningseigenschappen van vloeivloeistoffen te regelen. De vaste stofachtige toestand van de inkt kan de printstructuur beschermen en de vloeistofachtige toestand kan de afdrukpositie continu vullen, waardoor het digitale licht dat 3D-printen van extreem zachte bioinks verwerkt, wordt gerealiseerd.

Samenvatting

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

Nauwkeurige printfabricage van bioinks is een voorwaarde voor tissue engineering; de Jacobs werkcurve is het hulpmiddel om de precieze printparameters van digital light processing (DLP) te bepalen. De verwerving van werkcurven verspilt echter materialen en vereist een hoge vervormbaarheid van materialen, die niet geschikt zijn voor biomaterialen. Bovendien zijn de vermindering van celactiviteit als gevolg van meervoudige blootstellingen en het falen van structurele vorming als gevolg van herhaalde positionering beide onvermijdelijke problemen bij conventionele DLP-bioprinting. Dit werk introduceert een nieuwe methode voor het verkrijgen van de werkcurve en het verbeteringsproces van continue DLP-printtechnologie op basis van een dergelijke werkcurve. Deze methode voor het verkrijgen van de werkcurve is gebaseerd op de absorptie en fotorheologische eigenschappen van de biomaterialen, die niet afhankelijk zijn van de vervormbaarheid van de biomaterialen. Het continue DLP-printproces, verkregen door het verbeteren van het printproces door de werkcurve te analyseren, verhoogt de afdrukefficiëntie meer dan tienvoudig en verbetert de activiteit en functionaliteit van cellen aanzienlijk, wat gunstig is voor de ontwikkeling van tissue engineering.

Inleiding

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

Tissue engineering1 is belangrijk op het gebied van orgaanherstel. Door het gebrek aan orgaandonatie kunnen sommige ziekten, zoals leverfalen en nierfalen, niet goed worden genezen en krijgen veel patiënten geen tijdige behandeling2. Organoïden met de vereiste functie van de organen kunnen het probleem oplossen dat wordt veroorzaakt door het ontbreken van orgaandonatie. De constructie van organoïden hangt af van de vooruitgang en ontwikkeling van bioprinttechnologie3.

Vergeleken met extrusie-type bioprinting4 en inkjet-type bioprinting5, zijn de printsnelheid en afdruknauwkeurigheid van de digital light processing (DLP) bioprinting methode hoger 6,7. De afdrukmodule van de extrusiemethode is regel voor regel, terwijl de afdrukmodule van de inkjetmethode punt-voor-punt is, wat minder efficiënt is dan de laag-voor-laag afdrukmodule van DLP-bioprinting. De gemoduleerde blootstelling aan ultraviolet (UV) licht aan een hele laag materiaal om een laag in DLP-bioprinting uit te harden en de functiegrootte van het beeld bepaalt de nauwkeurigheid van DLP-afdrukken. Dit maakt DLP-technologie zeer efficiënt 8,9,10. Vanwege overcuring van het UV-licht is de precieze relatie tussen de uithardingstijd en het afdrukformaat belangrijk voor zeer nauwkeurige DLP-bioprinting. Bovendien is continu DLP-afdrukken een wijziging van de DLP-afdrukmethode die de afdrukefficiëntie aanzienlijk kan verbeteren11,12,13. Voor continu DLP-afdrukken zijn nauwkeurige afdrukomstandigheden de belangrijkste factoren.

De relatie tussen de uithardingstijd en het afdrukformaat wordt de Jacobs-werkcurve genoemd, die veel wordt gebruikt bij DLP-afdrukken14,15,16. De traditionele methode om de relatie te verkrijgen is om het materiaal gedurende een bepaalde tijd bloot te stellen en de uithardingsdikte te meten om een gegevenspunt te verkrijgen over de belichtingstijd en uithardingsdikte. Door deze bewerking minstens vijf keer te herhalen en de gegevenspunten aan te passen, krijgt u de Jacobs-werkcurve. Deze methode heeft echter duidelijke nadelen; het moet veel materiaal verbruiken om de uitharding te bereiken, de resultaten zijn sterk afhankelijk van de afdrukomstandigheden, de bioinks die worden gebruikt in DLP-bioprinting zijn duur en zeldzaam en de vervormbaarheid van de bioinks is meestal niet goed, wat kan leiden tot onnauwkeurige metingen van de uithardingsdikte.

Dit artikel biedt een nieuwe methode om de uithardingsrelatie te verkrijgen volgens de fysische eigenschappen van de bioink. Het gebruik van deze theorie kan continu DLP-printen optimaliseren. Deze methode kan worden gebruikt om de uithardingsrelatie sneller en nauwkeuriger te verkrijgen; de continue DLP-uitharding kan daardoor beter worden bepaald.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Theoretische voorbereiding

  1. Definieer drie parameters: vloeistofabsorptie (Al), vaste stofabsorptie (As) en drempeltijd (tT)17.
  2. Herschrijf de traditionele Jacobs-werkcurve met behulp van deze drie parameters17 volgens vergelijking 1:
    figure-protocol-1(Vergelijking 1)
    Hier is t H de uithardingstijd van een enkele laag enH is de hoogte van een enkele laag.

2. Parameterverwerving

  1. Meet de drempeltijd van de bioink met behulp van een reometer die is uitgerust met een element voor temperatuurregeling.
    1. Gebruik een 365 nm lichtbron om het testplatform van de rheometer bloot te leggen en de lichtintensiteit op een bepaalde waarde te brengen.
    2. Stel de reometer in om de Time-Moduli-gegevens te krijgen gedurende een periode van 300 s en neem elk gegevenspunt om de 0,3 s door de opties voor tijdinstellingen in de rheometersoftware. Klik op de knop Test starten van de rheometer om de test te starten en klik tegelijkertijd op de startknop van de lichtbron.
    3. Gerekend vanaf het begin van de blootstelling, wanneer de opslagmodulusgegevens gelijk zijn aan de verliesmodulusgegevens, wordt de overeenkomstige tijd herkend als de drempeltijd. Neem handmatig op.
  2. Bouw de absorptietestapparatuur zoals getoond in het vorige werk17. Gebruik twee bovenste en onderste glasplaten om de ringvormige geprinte structuur (5 mm binnendiameter, 10 mm buitendiameter) met een dikte van 500 μm vast te klemmen, zodat de binnenste cirkel van de ring een kamer vormt. Plaats de kamer op het testgebied van de lichtintensiteitsmeter en stel de lichtbron in om het kamergebied bloot te leggen.
    OPMERKING: Figuur 1 toont het schematische diagram van fotoreologische testresultaten en gegevensverwerkingsresultaten, en de absorptietestapparatuur.
    1. Meet de invallende lichtintensiteit (Ii) wanneer de testkamer niet is gevuld met materiaal van de absorptietestapparatuur door het display van de lichtintensiteitsmeter van de testapparatuur af te lezen.
    2. Vul de testkamer met 10 μLof bioink.
    3. Stel de testkamer met bioink bloot aan UV-licht bij 365 nm. Verkrijg de lichtintensiteit (Ilh) van de absorptietestapparatuur door het display van de lichtintensiteitsmeter van de testapparatuur af te lezen.
    4. Verkrijg de lichtintensiteit wanneer de bioink is uitgehard (Ish) van de absorptietestapparatuur door het display van de lichtintensiteitsmeter van de testapparatuur af te lezen wanneer de waarde niet langer verandert. Deze waarde is de vaste absorptie, iksh.
    5. Bereken de vloeistofabsorptie en vaste stofabsorptie met behulp van vergelijkingen 2 en 3:
      figure-protocol-2     Vergelijking 2
      figure-protocol-3     Vergelijking 3
  3. Verkrijg de Jacobs-werkcurve volgens de verkregen parameters.

figure-protocol-4
Figuur 1: Testresultaten en apparatuur . (A) Schematisch schema van fotoreologische testresultaten en gegevensverwerkingsresultaten. B) Absorptietestapparatuur. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Li et al.17. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Continue DLP-afdrukparameterinstellingen

  1. Gebruik DLP-software om DLP-afdrukken te bereiken en de set afdrukparameters in de software als volgt.
  2. Stel de belichtingstijd van de eerste enkele laag in als de drempeltijd (tT) in de parameterinstellingen van de software.
    1. Bereken de belichtingstijd van het uitharden van 10 μmthick materialen volgens vergelijking 1 en trek de drempeltijd af om de werkelijke belichtingstijd voor het uitharden van een enkele laag te verkrijgen.
  3. Stel het tijdsinterval tussen aangrenzende lagen in op 0 s in de parameterinstellingen van de software.
  4. Start de printer door te klikken op de knop Start in de afdruksoftware. Wanneer het afdrukproces is voltooid, voltooit u het afdrukken door op de knop Stoppen in de afdruksoftware te klikken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Dit artikel toont een nieuwe methode om uithardingsparameters te verkrijgen en introduceert een nieuwe manier om continu DLP-afdrukken te bereiken, waarbij de efficiëntie van deze methode bij het bepalen van de werkcurve wordt aangetoond.

We hebben drie verschillende materialen gebruikt bij DLP-afdrukken om de nauwkeurigheid van de theoretische werkcurve te verifiëren die is verkregen met de methode die in dit artikel is geïntroduceerd. De materialen zijn 20% (v/v) polyethyleen (glycol) diacry...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De kritieke stappen van dit protocol worden beschreven in sectie 2. Het is noodzakelijk om de lichtintensiteit die wordt gebruikt in de fotorheologietest en de afdruklichtintensiteit in de eigenlijke tests te verenigen. De absorptietestapparatuur is het belangrijkste onderdeel. De vorm van de testkamer moet dezelfde zijn als die van het lichtgevoelige gebied van de lichtintensiteitsmeter. Vanwege de eigenschappen van de materialen die voortdurend veranderen tijdens het hele uv-lichtblootstellingsproces, moet de lichtinte...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

De auteurs erkennen dankbaar de steun van de National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) en de China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Brilliant BlueAladdin (Shanghai, China).6104-59-2 
DLP-softwareCreation WorkshopN/A
Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylfosfinaatN/ALAP; gesynthetiseerd
LichtbronOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 nm
Polyethyleen (glycol) diacrylaatSigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~700
Reometer Anton Paar, OostenrijkMCR302

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

DLP BioprintingWorking CurvePhotocurable MaterialsTissue EngineeringContinuous DLP PrintingPhotorheological PropertiesAbsorbance MeasurementPrinting Efficiency3D Bioprinting

Gerelateerde artikelen