Artigo de método

Caracterização quantitativa das propriedades da biotinta fotossensível líquida para impressão baseada em processamento contínuo de luz

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 de abril de 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

Neste artigo

Resumo

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

Este estudo utiliza a temperatura e a composição do material para controlar as propriedades de tensão de escoamento de fluidos de tensão de escoamento. O estado sólido da tinta pode proteger a estrutura de impressão, e o estado líquido pode preencher continuamente a posição de impressão, realizando o processamento digital de luz impressão 3D de biotintas extremamente macias.

Resumo

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

A fabricação precisa de biotintas por impressão é um pré-requisito para a engenharia de tecidos; a curva de trabalho de Jacobs é a ferramenta para determinar os parâmetros de impressão precisos do processamento digital de luz (DLP). No entanto, a aquisição de curvas de trabalho desperdiça materiais e requer alta conformabilidade de materiais, que não são adequados para biomateriais. Além disso, a redução da atividade celular devido a múltiplas exposições e a falha na formação estrutural devido ao posicionamento repetido são problemas inevitáveis na bioimpressão convencional de DLP. Este trabalho introduz um novo método de obtenção da curva de trabalho e o processo de melhoria da tecnologia de impressão contínua DLP baseada nesta curva de trabalho. Este método de obtenção da curva de trabalho baseia-se na absorbância e nas propriedades fotorreológicas dos biomateriais, que não dependem da conformabilidade dos biomateriais. O processo de impressão DLP contínua, obtido a partir da melhoria do processo de impressão através da análise da curva de trabalho, aumenta a eficiência de impressão em mais de dez vezes e melhora consideravelmente a atividade e a funcionalidade das células, o que é benéfico para o desenvolvimento da engenharia de tecidos.

Introdução

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A engenharia tecidual1 é importante no campo do reparo de órgãos. Devido à falta de doação de órgãos, algumas doenças, como insuficiência hepática e insuficiência renal, não têm cura e muitos pacientes não recebem tratamento em tempo hábil2. Organoides com a função necessária dos órgãos podem resolver o problema causado pela falta de doação de órgãos. A construção de organoides depende do progresso e desenvolvimento da tecnologia de bioimpressão3.

Em comparação com a bioimpressão do tipo extrusão4 e a bioimpressão do tipo jato de tinta5, a velocidade de impressão e a precisão de impressão do método de bioimpressão digital de processamento de luz (DLP) são maiores 6,7. O módulo de impressão do método do tipo extrusão é linha por linha, enquanto o módulo de impressão do método do tipo jato de tinta é ponto a ponto, o que é menos eficiente do que o módulo de impressão camada por camada da bioimpressão DLP. A exposição modulada à luz ultravioleta (UV) a uma camada inteira de material para curar uma camada na bioimpressão DLP e o tamanho da característica da imagem determinam a precisão da impressão DLP. Isso torna a tecnologia DLP muito eficiente 8,9,10. Devido à cura excessiva da luz UV, a relação precisa entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é importante para a bioimpressão DLP de alta precisão. Além disso, a impressão DLP contínua é uma modificação do método de impressão DLP que pode melhorar muito a eficiência de impressão11,12,13. Para impressão DLP contínua, as condições de impressão precisas são os fatores mais importantes.

A relação entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é chamada de curva de trabalho de Jacobs, que é amplamente utilizada na impressão DLP14,15,16. O método tradicional para obter a relação é expor o material por um determinado tempo e medir a espessura de cura para obter um ponto de dados sobre o tempo de exposição e espessura de cura. Repetindo essa operação pelo menos cinco vezes e ajustando os pontos de dados obtém-se a curva de trabalho de Jacobs. No entanto, este método tem desvantagens óbvias; ele precisa consumir muito material para conseguir a cura, os resultados são altamente dependentes das condições de impressão, as biotintas usadas na bioimpressão DLP são caras e raras, e a formabilidade das biotintas geralmente não é boa, o que pode levar a medições imprecisas da espessura de cura.

Este artigo fornece um novo método para obter a relação de cura de acordo com as propriedades físicas da biotinta. O uso dessa teoria pode otimizar a impressão contínua de DLP. Este método pode ser utilizado para obter a relação de cura de forma mais rápida e precisa; a cura contínua de DLP pode, portanto, ser melhor determinada.

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Protocolo

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1. Preparação teórica

  1. Definir trêsparâmetros: absorbância líquida (Al), absorbância sólida (A s) e tempo limite (tT)17.
  2. Reescreva a curva de trabalho tradicional de Jacobs usando estes três parâmetros17 de acordo com a Equação 1:
    figure-protocol-1(Equação 1)
    Aqui, t H é o tempo de cura de uma única camada, eH é a altura de uma única camada.

2. Aquisição de parâmetros

  1. Meça o tempo limite da biotinta usando um reômetro equipado com um elemento para controle de temperatura.
    1. Use uma fonte de luz de 365 nm para expor a plataforma de teste do reômetro e fazer a intensidade da luz em um determinado valor.
    2. Defina o reômetro para obter os dados Time-Moduli durante um período de 300 s e pegue cada ponto de dados a cada 0,3 s através das opções de Configurações de Tempo no software do reômetro. Clique no botão Iniciar teste do reômetro para iniciar o teste e, ao mesmo tempo, clique no botão Iniciar da fonte de luz.
    3. Contando a partir do início da exposição, quando os dados do módulo de armazenamento são iguais aos dados do módulo de perda, o tempo correspondente é reconhecido como o tempo limite. Grave manualmente.
  2. Construir o equipamento de teste de absorbância como mostrado no trabalho anterior17. Use duas lâminas de vidro superior e inferior para prender a estrutura impressa em forma de anel (5 mm de diâmetro interno, 10 mm de diâmetro externo) com uma espessura de 500μm de modo que o círculo interno do anel forme uma câmara. Coloque a câmara na área de ensaio do medidor de intensidade luminosa e ajuste a fonte de luz para expor a área da câmara.
    NOTA: A Figura 1 mostra o diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento de dados, bem como o equipamento de ensaio de absorbância.
    1. Medir a intensidade luminosa incidente(I) quando a câmara de ensaio não estiver cheia de material do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
    2. Encher a câmara de ensaio com 10 μLof de biotinta.
    3. Expor a câmara de ensaio com biotinta à luz UV a 365 nm. Obter a intensidade luminosa (Ilh) do equipamento de ensaio de absorbância através da leitura do visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
    4. Obter a intensidade luminosa quando a biotinta for curada (Ish) a partir do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio quando o valor deixar de existir. Esse valor é a absorvância sólida, eush.
    5. Calcular a absorbância líquida e a absorbância sólida utilizando as equações 2 e 3:
      figure-protocol-2     Equação 2
      figure-protocol-3     Equação 3
  3. Obter a curva de trabalho de Jacobs de acordo com os parâmetros obtidos.

figure-protocol-4
Figura 1: Resultados dos testes e equipamentos . (A) Diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento dos dados. (B) Equipamento de ensaio de absorbância. Esse valor foi modificado com permissão de Li et al.17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Configurações de parâmetros de impressão DLP contínua

  1. Use o software DLP para obter impressão DLP e o conjunto de parâmetros de impressão no software da seguinte maneira.
  2. Defina o tempo de exposição da primeira camada única como o tempo limite (tT) nas configurações de parâmetros do software.
    1. Calcular o tempo de exposição dos materiais de cura de 10 μm, de acordo com a Equação 1, e subtrair o tempo limite para obter o tempo real de exposição para a cura de uma única camada.
  3. Defina o intervalo de tempo entre as camadas adjacentes como 0 s nas configurações de parâmetros do software.
  4. Inicie a impressora clicando no botão Iniciar no software de impressão. Quando o processo de impressão terminar, conclua a impressão clicando no botão Parar no software de impressão.

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Resultados

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Este artigo mostra um novo método para obtenção de parâmetros de cura e introduz uma nova forma de se obter impressão contínua de DLP, demonstrando a eficiência deste método na determinação da curva de trabalho.

Foram utilizados três materiais diferentes na impressão DLP para verificar a exatidão da curva de trabalho teórica obtida pelo método introduzido neste artigo. Os materiais são 20% (v/v) de polietileno (glicol) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p/v) de lítio fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinat...

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Discussão

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As etapas críticas deste protocolo estão descritas na seção 2. É necessário unificar a intensidade luminosa utilizada no ensaio fotorreológico e a intensidade luminosa de impressão nos ensaios propriamente ditos. O equipamento de teste de absorbância é a parte mais importante. A forma da câmara de ensaio deve ser a mesma que a área fotossensível do medidor de intensidade luminosa. Devido às propriedades dos materiais que mudam continuamente durante todo o processo de exposição à luz UV, a intensidade da luz precisa conti...

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Divulgações

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

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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

Os autores agradecem o apoio fornecido pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) e pela China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Brilliant BlueAladdin (Xangai, China).6104-59-2
Software DLPWorkshop de criaçãoN/A
Fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinatode lítio N/ALAP; sintetizado
Fonte de luzOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 nm
Diacrilato de polietileno (glicol)Sigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~Reômetro 700
Anton Paar, ÁustriaMCR302

Referências

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  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).
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