Ilościowa charakterystyka właściwości ciekłego światłoczułego biotuszu do ciągłego druku opartego na cyfrowym przetwarzaniu światła
14 kwietnia 2023
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.
Moje badania obejmują głównie DLP, biodruk 3D i inżynierię tkankową. Staraliśmy się zoptymalizować i ulepszyć proces drukowania DLP i teorię formuły, aby drukowane rusztowanie inżynierii tkankowej mogło lepiej spełniać rzeczywiste potrzeby aplikacji klinicznej. Warunki drukowania istniejących materiałów światłoutwardzalnych opierają się na eksperymentach ręcznych i są uzyskiwane poprzez wprowadzanie danych z wielu przeprowadzonych eksperymentów.
Takie eksperymenty powodują marnotrawstwo materiału i zmniejszają wydajność drukowania. Skonstruowałem teoretyczną krzywą roboczą i wyznaczyłem piramidy druku DLP materiału tylko na podstawie właściwości fizycznych materiału. Proponuje się zastosowanie koncepcji dynamicznej kąpieli fluidalnej w druku DLP w celu realizacji formatu DLP złożonych trójwymiarowych struktur z wyjątkowo miękkich materiałów.
Metoda ta może poprawić efektywność określania warunków drukowania materiałów fotoutwardzalnych. Technologia ta może zapewnić wsparcie techniczne dla badań i rozwoju materiałów fotoutwardzalnych oraz dokładnego drukowania tych materiałów. Rozpocznij od zmierzenia czasu progowego tuszu biologicznego za pomocą reometru z elementem kontrolującym temperaturę.
Wykorzystaj źródło światła 365 nm, aby naświetlić platformę testową reometru i ustaw natężenie światła na określoną wartość. W oprogramowaniu reometru przejdź do opcji ustawień czasu i ustaw reometr tak, aby pobierał dane modułów czasowych dla 300 punktów danych, przy czym każdy punkt danych jest pobierany co 0,3 sekundy. Kliknij przycisk Rozpocznij test w oprogramowaniu reometru, aby rozpocząć test.
Jednocześnie kliknij przycisk Start źródła światła. Aby obliczyć czas progowy, należy zapisać odpowiedni czas licząc od początku ekspozycji, gdy dane dotyczące modułu przechowywania są równe danym o utraconym module. Następnie zbuduj sprzęt do badania absorbancji, używając górnych i dolnych szkiełek podstawowych oraz drukowanej struktury w kształcie pierścienia.
Zacisnąć pierścień między szkiełkami tak, aby wewnętrzny okrąg pierścienia tworzył komorę. Umieść komorę na obszarze testowym miernika natężenia światła i ustaw źródło światła tak, aby odsłoniło obszar komory. Gdy komora testowa nie jest wypełniona materiałem z urządzenia do badania absorbancji, zmierz natężenie światła padającego II, odczytując wyświetlacz miernika natężenia światła.
Następnie napełnij komorę testową 10 mikrolitrami biotuszu. Wystaw komorę testową zawierającą biotusz na działanie światła ultrafioletowego o długości 365 nanometrów. Uzyskaj natężenie światła IIH, odczytując wyświetlacz.
Gdy wartość miernika natężenia światła już się nie zmienia, odczytaj wyświetlacz, aby uzyskać natężenie światła po utwardzeniu atramentu biologicznego. Wartością jest absorbancja ciała stałego ISH. Aby uzyskać cyfrowe przetwarzanie światła lub drukowanie DLP, zacznij od użycia oprogramowania DLP.
W ustawieniach parametrów ustaw czas naświetlania pierwszej pojedynczej warstwy na czas progowy. Oblicz czas ekspozycji utwardzania materiałów o grubości 10 mikrometrów zgodnie z tym równaniem i odejmij czas progowy, aby uzyskać rzeczywisty czas ekspozycji dla utwardzania pojedynczej warstwy. W ustawieniach parametrów oprogramowania ustaw odstęp czasu między sąsiednimi warstwami na zero sekund.
Uruchom drukarkę, klikając przycisk Start w oprogramowaniu do drukowania. Po zakończeniu procesu drukowania zakończ drukowanie, klikając przycisk Zatrzymaj. Protokół ten pokazuje, że metoda ciągłego drukowania DLP może dokładnie obliczyć teoretyczne krzywe robocze różnych materiałów.
Zaobserwowano wysoki stopień zbieżności między przewidywaniami teoretycznymi a rzeczywistymi wynikami druku dla trzech różnych materiałów. W porównaniu z tradycyjną metodą druku DLP, metoda ta wykazała poprawę wydajności drukowania, przy zmniejszeniu grubości warstwy druku. Ponadto zaobserwowano dziesięciokrotny wzrost wydajności utwardzania w porównaniu z tradycyjnym drukiem DLP, co pokazuje, że metoda ciągłego druku DLP może jednocześnie osiągnąć wysoką wydajność i wysoką wierność.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie koncentruje się na optymalizacji procesów druku DLP 3D w zakresie inżynierii tkankowej. Poprzez kontrolowanie temperatury i składu materiałowego, można efektywnie zarządzać właściwościami naprężeń plastycznych biowłókien, poprawiając drukowanie materiałów miękkich.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- 3D Drukowanie biologiczne
- Inżynieria tkankowa
- Nauka o materiałach
Tło
- Obecne procesy druku DLP opierają się w dużej mierze na eksperymentach manualnych.
- Obecne metody marnują materiały i zmniejszają efektywność.
- Istnieje potrzeba ulepszonych ram teoretycznych w formule biowłókien.
- Koncepcje dynamicznych kąpieli płynowych mogą poprawić zdolności drukowania.
Cel badania
- Optymalizacja procesu druku DLP dla lepszych zastosowań klinicznych.
- Zmniejszenie marnotrawstwa materiałów i poprawa efektywności druku.
- Opracowanie teoretycznej krzywej roboczej dla właściwości biowłókien.
Zastosowane metody
- Konstrukcja teoretycznej krzywej roboczej na podstawie właściwości materiałowych.
- Zastosowanie koncepcji dynamicznej kąpieli płynowej w druku DLP.
- Optymalizacja warunków druku poprzez analizę teoretyczną.
- Ocena właściwości naprężeń plastycznych biowłókien.
Główne wyniki
- Skuteczne sterowanie właściwościami naprężeń plastycznych poprzez temperaturę i skład.
- Poprawiona efektywność procesu druku DLP.
- Zlepiona struktura wydruku struktur trójwymiarowych.
- Realizacja złożonych struktur 3D przy użyciu miękkich biowłókien.
Wnioski
- Badanie przedstawia znaczący postęp w druku DLP.
- Optymalizacja procesów może prowadzić do lepszych wyników klinicznych w inżynierii tkankowej.
- Przyszłe prace mogą skupić się na dalszym udoskonaleniu właściwości materiałowych i technik druku.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative characterization of bioink properties using absorbance and photorheological data enables precise, material-efficient optimization of DLP bioprinting for tissue engineering. This approach eliminates reliance on manual trial-and-error, accelerating early-stage development and reducing resource consumption. Enhanced printing fidelity and cell viability directly impact translational readiness and portfolio progression for advanced biomaterial platforms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid interrogation of bioink printability and material compatibility for tissue engineering hypotheses.
- Supports functional validation of photocurable biomaterials without requiring high formability.
- Facilitates predictive de-risking by linking physical properties to printing outcomes.
Screening & Assay Development
- Standardizes bioink characterization workflows for reproducible DLP printing parameter selection.
- Delivers quantitative outputs (threshold time, absorbance) for robust assay development.
- Improves screening throughput by minimizing material waste and manual intervention.
Translational & Preclinical Research
- Aligns printing protocols with cell viability and structural fidelity requirements for tissue models.
- Enables continuity from discovery-stage material assessment to preclinical construct fabrication.
- Reduces risk of translational failure due to suboptimal printing conditions or cell loss.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the interface of discovery biology, assay development, and translational construct manufacturing, supporting the transition from material screening to preclinical validation.
- Discovery Biology: Provides a quantitative framework for hypothesis testing and material de-risking.
- Screening: Supplies reproducible, quantitative readouts for parameter optimization and assay readiness.
- Analytics: Enables direct comparison of bioink properties and printing outcomes across conditions.
- Translational Research: Supports alignment of printing protocols with functional tissue engineering requirements.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, material-agnostic workflow for ongoing biomaterial innovation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in bioink selection and printing success.
- Operational Value: Reduces material waste, manual labor, and experimental cycle time.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions and enhances capital efficiency in biomaterial R&D.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted advancement of tissue engineering platforms with validated printing protocols.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rheology, photopolymerization, and quantitative material analysis.
- Needs access to rheometers, UV light sources, and absorbance measurement instrumentation.
- Demands cross-team standardization of data acquisition and parameter reporting.
- Adaptable to a range of photocurable biomaterials and tissue engineering applications.
- Dependent on accurate measurement of threshold time and absorbance for reliable parameterization.
