Artykuł metodologiczny

Ilościowa charakterystyka właściwości ciekłego światłoczułego biotuszu do ciągłego druku opartego na cyfrowym przetwarzaniu światła

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 kwietnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

To badanie wykorzystuje temperaturę i skład materiału do kontrolowania właściwości płynów o granicy plastyczności. Stan podobny do ciała stałego atramentu może chronić strukturę druku, a stan podobny do cieczy może w sposób ciągły wypełniać pozycję drukowania, realizując cyfrowe przetwarzanie światła 3D z wyjątkowo miękkich biotuszów.

Streszczenie

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

Precyzyjne drukowanie biotuszy jest warunkiem wstępnym dla inżynierii tkankowej; krzywa robocza Jacobsa jest narzędziem do określania precyzyjnych parametrów drukowania w cyfrowym przetwarzaniu światła (DLP). Jednak pozyskiwanie krzywych roboczych powoduje marnotrawstwo materiałów i wymaga wysokiej odkształcalności materiałów, które nie nadają się do biomateriałów. Ponadto zmniejszenie aktywności komórek spowodowane wielokrotnymi ekspozycjami i niepowodzenie tworzenia strukturalnego z powodu wielokrotnego pozycjonowania są nieuniknionymi problemami w konwencjonalnym biodruku DLP. Praca ta wprowadza nową metodę uzyskiwania krzywej roboczej oraz proces doskonalenia technologii ciągłego druku DLP w oparciu o taką krzywą roboczą. Ta metoda otrzymywania krzywej roboczej opiera się na właściwościach absorbancji i fotoreologii biomateriałów, które nie zależą od odkształcalności biomateriałów. Ciągły proces drukowania DLP, uzyskany dzięki ulepszeniu procesu drukowania poprzez analizę krzywej roboczej, zwiększa wydajność drukowania ponad dziesięciokrotnie i znacznie poprawia aktywność i funkcjonalność komórek, co jest korzystne dla rozwoju inżynierii tkankowej.

Wprowadzenie

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

Inżynieria tkankowa1 jest ważna w dziedzinie naprawy narządów. Ze względu na brak dawstwa narządów, niektóre choroby, takie jak niewydolność wątroby i niewydolność nerek, nie mogą być dobrze wyleczone, a wielu pacjentów nie otrzymuje leczenia na czas2. Organoidy z wymaganą funkcją narządów mogą rozwiązać problem spowodowany brakiem dawstwa narządów. Budowa organoidów zależy od postępu i rozwoju technologii biodruku3.

W porównaniu z bioprintingiem typu ekstruzji4 i bioprintingiem typu inkjet5, szybkość drukowania i dokładność druku metodą biodruku metodą cyfrowego przetwarzania światła (DLP) są wyższe6,7. Moduł drukowania metody wytłaczania jest liniowy po linii, podczas gdy moduł drukowania metody atramentowej jest drukowany kropka po kropce, co jest mniej wydajne niż moduł drukowania warstwa po warstwie biodruku DLP. Modulowana ekspozycja na światło ultrafioletowe (UV) na całą warstwę materiału w celu utwardzenia warstwy w biodruku DLP oraz rozmiar cechy obrazu decydują o dokładności drukowania DLP. To sprawia, że technologia DLP jest bardzo wydajna8,9,10. Ze względu na nadmierne utwardzanie światła UV, dokładna zależność między czasem utwardzania a rozmiarem wydruku jest ważna dla biodruku DLP o wysokiej dokładności. Co więcej, ciągłe drukowanie DLP jest modyfikacją metody drukowania DLP, która może znacznie poprawić wydajność drukowania11,12,13. W przypadku ciągłego druku DLP najważniejszymi czynnikami są precyzyjne warunki drukowania.

Zależność między czasem utwardzania a rozmiarem wydruku nazywana jest krzywą roboczą Jacobsa, która jest szeroko stosowana w druku DLP14,15,16. Tradycyjną metodą uzyskania zależności jest naświetlenie materiału przez określony czas i zmierzenie grubości utwardzania w celu uzyskania punktu danych o czasie ekspozycji i grubości utwardzania. Powtórzenie tej operacji co najmniej pięć razy i dopasowanie punktów danych powoduje uzyskanie krzywej roboczej Jacobsa. Jednak ta metoda ma oczywiste wady; musi zużyć dużo materiału, aby osiągnąć utwardzenie, wyniki są w dużym stopniu zależne od warunków drukowania, biotusze stosowane w biodruku DLP są drogie i rzadkie, a odkształcalność biotuszy zwykle nie jest dobra, co może prowadzić do niedokładnych pomiarów grubości utwardzania.

Ten artykuł przedstawia nową metodę uzyskiwania zależności utwardzania zgodnie z fizycznymi właściwościami biotuszu. Korzystanie z tej teorii może zoptymalizować ciągłe drukowanie DLP. Ta metoda może być wykorzystana do szybszego i dokładniejszego uzyskania relacji utwardzania; dzięki temu można lepiej określić ciągłe utwardzanie DLP.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie teoretyczne

  1. Zdefiniuj trzy parametry: absorbancję cieczy (Al), absorbancję ciał stałych (As) i czas progowy (tT)17.
  2. Przepisz tradycyjną krzywą roboczą Jacobsa za pomocą tych trzech parametrów17 zgodnie z równaniem 1:
    figure-protocol-1 (Równanie 1)
    Tutaj tH to czas utwardzania jednej warstwy, a H to wysokość jednej pojedynczej warstwy.

2. Pozyskiwanie parametrów

  1. Zmierz czas progowy biotuszu za pomocą reometru wyposażonego w element do kontroli temperatury.
    1. Użyj źródła światła 365 nm, aby naświetlić platformę testową reometru i ustawić natężenie światła na określoną wartość.
    2. Ustaw reometr tak, aby pobierał dane modułów czasowych w okresie 300 s i wykonuj każdy punkt danych co 0.3 s przez opcje ustawień czasu w oprogramowaniu reometru. Kliknij przycisk Rozpocznij test reometru, aby rozpocząć test, a jednocześnie kliknij przycisk Start źródła światła.
    3. Licząc od początku ekspozycji, gdy dane dotyczące modułu przechowywania są równe danym modułu strat, odpowiedni czas jest uznawany za czas progowy. Nagrywaj ręcznie.
  2. Zbuduj sprzęt do badania absorbancji, jak pokazano w poprzednim work17. Użyj dwóch górnych i dolnych szkiełek szkiełkowych, aby zacisnąć drukowaną strukturę w kształcie pierścienia (średnica wewnętrzna 5 mm, średnica zewnętrzna 10 mm) o grubości 500 μm tak, aby wewnętrzny okrąg pierścienia tworzył komorę. Umieść komorę na obszarze testowym miernika natężenia światła i ustaw źródło światła tak, aby odsłoniło obszar komory.
    UWAGA: Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy wyników badań fotoreologicznych i wyników przetwarzania danych oraz sprzęt do badania absorbancji.
    1. Zmierzyć natężenie światła padającego (Ii), gdy komora badawcza nie jest wypełniona materiałem z urządzenia do badania absorbancji, odczytując wyświetlacz miernika natężenia światła sprzętu badawczego.
    2. Napełnij komorę testową 10 μl biotuszu.
    3. Wystaw komorę testową z biotuszem na działanie światła UV o długości fali 365 nm. Uzyskać natężenie światła (Ilh) z urządzenia do badania absorbancji, odczytując wyświetlacz miernika natężenia światła urządzenia badawczego.
    4. Uzyskaj natężenie światła po utwardzeniu biotuszu (Ish) z urządzenia do badania absorbancji, odczytując wyświetlacz miernika natężenia światła urządzenia testującego, gdy wartość już się nie zmienia. Wartość ta jest absorbancją ciał stałych, Ish.
    5. Obliczyć absorbancję cieczy i absorbancję ciał stałych, korzystając z równań 2 i 3:
      figure-protocol-2 Równanie 2
      figure-protocol-3 Równanie 3
  3. Uzyskaj krzywą roboczą Jacobsa zgodnie z uzyskanymi parametrami.

figure-protocol-4
Rysunek 1: Wyniki testów i sprzęt. (A) Schemat ideowy wyników testów fotoreologicznych i wyników przetwarzania danych. (B) Aparatura do badania absorbancji. Ten rysunek został zmodyfikowany za zgodą Li et al.17. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Ustawienia parametrów ciągłego drukowania DLP

  1. Użyj oprogramowania DLP, aby uzyskać drukowanie DLP i zestaw parametrów drukowania w oprogramowaniu w następujący sposób.
  2. Ustaw czas naświetlania pierwszej pojedynczej warstwy jako czas progowy (tT) w ustawieniach parametrów oprogramowania.
    1. Oblicz czas naświetlania materiałów o grubości 10 μm zgodnie z równaniem 1 i odejmij czas progowy, aby uzyskać rzeczywisty czas naświetlania pojedynczej warstwy.
  3. Ustaw odstęp czasu między sąsiednimi warstwami na 0 s w ustawieniach parametrów oprogramowania.
  4. Uruchom drukarkę, klikając przycisk Start w oprogramowaniu do drukowania. Po zakończeniu procesu drukowania zakończ drukowanie, klikając przycisk Zatrzymaj w oprogramowaniu do drukowania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Ten artykuł pokazuje nową metodę uzyskiwania parametrów utwardzania i wprowadza nowy sposób uzyskiwania ciągłego drukowania DLP, demonstrując skuteczność tej metody w określaniu krzywej roboczej.

Użyliśmy trzech różnych materiałów do druku DLP, aby sprawdzić dokładność teoretycznej krzywej roboczej uzyskanej metodą przedstawioną w tym artykule. Materiały to 20% (v/v) diakrylan polietylenu (glikolu) (PEGDA), 0,5% (w/v) fenylo-2,4,6-trimetylobenzoilofosfinian litu (LAP) o różnych stężeniach abso...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Krytyczne etapy tego protokołu są opisane w sekcji 2. Konieczne jest ujednolicenie natężenia światła używanego w teście fotogeologicznym i natężenia światła drukowania w rzeczywistych testach. Najważniejszą częścią jest sprzęt do badania absorbancji. Kształt komory testowej powinien być taki sam jak obszar światłoczuły miernika natężenia światła. Ze względu na właściwości materiałów, które stale zmieniają się podczas całego procesu ekspozycji na światło UV, natężenie światła musi się nadal zmieniać6

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Autorzy dziękują za wsparcie udzielone przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Grant nr 12125205, 12072316, 12132014) oraz Chińską Fundację Nauk Podoktoranckich (Grant nr 2022M712754).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Brilliant BlueAladdin (Szanghaj, Chiny).6104-59-2 
Warsztat tworzeniaoprogramowania DLPNie dotyczy
Fenylo-2,4,6-trimetylobenzoilofosfinianlitu NieLAP; zsyntetyzowane
źródło światłaOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 nm
Diakrylan polietylenu (glikolu)Sigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~700
Reometr Anton Paar, AustriaMCR302
dotyczy

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

DLP BioprintingBioink PropertiesWorking CurvePhotocurable MaterialsTissue EngineeringContinuous DLP PrintingPhotorheological PropertiesAbsorbance MeasurementPrinting Efficiency3D Bioprinting

Powiązane artykuły