Методическая статья

Количественная характеристика свойств жидких фоточувствительных биочернил для непрерывной цифровой обработки света

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 апреля 2023 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этом исследовании используются температура и состав материала для контроля свойств предела текучести жидкостей с пределом текучести. Твердое состояние чернил может защитить структуру печати, а жидкое состояние может непрерывно заполнять позицию печати, реализуя 3D-печать чрезвычайно мягких биочернил с цифровой обработкой света.

Аннотация

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

Точная печать биочернил является необходимым условием для тканевой инженерии; Рабочая кривая Джейкобса является инструментом для определения точных параметров печати цифровой обработки света (DLP). Однако приобретение рабочих кривых отходов и требует высокой формуемости материалов, которые не подходят для биоматериалов. Кроме того, снижение активности клеток из-за многократного воздействия и разрушение структурного формирования из-за повторного позиционирования являются неизбежными проблемами в традиционной биопечати DLP. В данной работе представлен новый метод получения рабочей кривой и процесс совершенствования технологии непрерывной DLP-печати на основе такой рабочей кривой. Этот метод получения рабочей кривой основан на поглощающих и фотореологических свойствах биоматериалов, которые не зависят от формуемости биоматериалов. Непрерывный процесс DLP-печати, полученный в результате улучшения процесса печати путем анализа рабочей кривой, увеличивает эффективность печати более чем в десять раз и значительно улучшает активность и функциональность клеток, что полезно для развития тканевой инженерии.

Введение

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

Тканевая инженерия1 важна в области восстановления органов. Из-за отсутствия донорства органов некоторые заболевания, такие как печеночная недостаточность и почечная недостаточность, не могут быть хорошо излечены, и многие пациенты не получают своевременного лечения2. Органоиды с требуемой функцией органов могут решить проблему, вызванную отсутствием донорства органов. Построение органоидов зависит от прогресса и развития технологии биопечати3.

По сравнению с биопечатью экструзионного типа4 и биопечатьюструйного типа 5 скорость печати и точность печати методом биопечати цифровой световой обработкой (DLP) выше 6,7. Модуль печати экструзионного метода является построчным по строчному, в то время как модуль печати струйного метода является точечным, что менее эффективно, чем модуль послойной печати биопечати DLP. Воздействие модулированного ультрафиолетового (УФ) света на целый слой материала для отверждения слоя в биопечати DLP и размер элемента изображения определяют точность DLP-печати. Это делает технологию DLP очень эффективной 8,9,10. Из-за чрезмерного отверждения ультрафиолетового излучения точное соотношение между временем отверждения и размером печати важно для высокоточной биопечати DLP. Кроме того, непрерывная DLP-печать является модификацией метода DLP-печати, которая может значительно повысить эффективность печати11,12,13. Для непрерывной DLP-печати наиболее важными факторами являются точные условия печати.

Взаимосвязь между временем отверждения и размером печати называется рабочей кривой Джейкобса, которая широко используется в DLP-печати14,15,16. Традиционный метод получения соотношения состоит в том, чтобы экспонировать материал в течение определенного времени и измерять толщину отверждения, чтобы получить данные о времени выдержки и толщине отверждения. Повторив эту операцию не менее пяти раз и подгонив точки данных, мы получим рабочую кривую Джейкобса. Однако у этого метода есть очевидные недостатки; для отверждения необходимо потреблять много материала, результаты сильно зависят от условий печати, биочернила, используемые в биопечати DLP, дороги и редки, а формуемость биочернил обычно не очень хорошая, что может привести к неточным измерениям толщины отверждения.

В этой статье представлен новый метод получения соотношения отверждения в соответствии с физическими свойствами биочернил. Используя эту теорию, можно оптимизировать непрерывную DLP-печать. Этот метод может быть использован для более быстрого и точного получения соотношения отверждения; Таким образом, непрерывное отверждение DLP может быть лучше определено.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Теоретическая подготовка

  1. Определите три параметра: поглощение жидкости (Al), поглощение твердого вещества (As) и пороговое время (tT)17.
  2. Перепишем традиционную рабочую кривую Джейкобса, используя эти три параметра17 в соответствии с уравнением 1:
    figure-protocol-1(Уравнение 1)
    Здесь t H — время отверждения одного слоя, аH — высота одного слоя.

2. Сбор параметров

  1. Измерьте пороговое время биочернил с помощью реометра, оснащенного элементом для контроля температуры.
    1. Используйте источник света с длиной волны 365 нм, чтобы экспонировать испытательную платформу реометра и установить интенсивность света на определенном значении.
    2. Настройте реометр на получение данных Time-Moduli в течение 300 с и снимайте каждую точку данных каждые 0,3 с с помощью параметров настроек времени в программном обеспечении реометра. Нажмите кнопку «Начать тест» на реометре, чтобы начать тест , и в то же время нажмите кнопку «Пуск » источника света.
    3. Считая с начала воздействия, когда данные модуля хранения равны данным модуля потерь, соответствующее время признается пороговым временем. Запись вручную.
  2. Постройте оборудование для испытаний на поглощение, как показано в предыдущей работе17. Используйте два верхних и нижних предметных стекла, чтобы зажать кольцеобразную печатную конструкцию (внутренний диаметр 5 мм, внешний диаметр 10 мм) толщиной 500 мкм, чтобы внутренний круг кольца образовывал камеру. Поместите камеру на испытательную зону измерителя интенсивности света и установите источник света так, чтобы он экспонировал область камеры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показана принципиальная схема результатов фотореологических испытаний и результатов обработки данных, а также оборудование для испытаний на поглощение.
    1. Измерьте интенсивность падающего света (Ii), когда испытательная камера не заполнена материалом из оборудования для испытания на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования.
    2. Заполните испытательную камеру биочернилами объемом 10 мкл.
    3. Подвергните испытательную камеру с биочернилами ультрафиолетовому излучению с длиной волны 365 нм. Получите интенсивность света (Ilh) от оборудования для испытания на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования.
    4. Получите интенсивность света при отверждении биочернил (Ish) из оборудования для испытаний на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования, когда значение больше не изменяется. Эта величина и есть поглощение твердого вещества, Ish.
    5. Рассчитайте поглощение жидкости и поглощение твердого вещества, используя уравнения 2 и 3:
      figure-protocol-2     Уравнение 2
      figure-protocol-3     Уравнение 3
  3. Получите рабочую кривую Джейкобса в соответствии с полученными параметрами.

figure-protocol-4
Рисунок 1: Результаты испытаний и оборудование. (А) Принципиальная схема результатов фотореологических испытаний и результатов обработки данных. b) оборудование для испытания на абсорбцию. Эта цифра была изменена с разрешения Li et al.17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Настройки параметров непрерывной DLP-печати

  1. Используйте программное обеспечение DLP для достижения DLP-печати и набор параметров печати в программном обеспечении следующим образом.
  2. Установите время экспозиции первого отдельного слоя в качестве порогового времени (tT) в настройках параметров программного обеспечения.
    1. Рассчитайте время выдержки отверждения материалов толщиной 10 мкм в соответствии с уравнением 1 и вычтите пороговое время, чтобы получить реальное время выдержки для отверждения одного слоя.
  3. Установите временной интервал между соседними слоями равным 0 с в настройках параметров программы.
  4. Запустите принтер, нажав кнопку «Пуск » в программном обеспечении для печати. Когда процесс печати завершится, завершите печать, нажав кнопку «Стоп» в программном обеспечении для печати.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

В данной статье показан новый метод получения параметров отверждения и представлен новый способ достижения непрерывной DLP-печати, демонстрирующий эффективность этого метода при определении рабочей кривой.

Мы использовали три разных материала в DLP-печати для проверки точности теоретической рабочей кривой, полученной методом, представленным в этой статье. Материалы представляют собой 20% (об. / об.) диакрилат полиэтилена (гликоля) (PEGDA), 0,5% (мас. / об.) фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфината...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Важнейшие этапы этого протокола описаны в разделе 2. Необходимо унифицировать интенсивность света, используемую в фотореологическом тесте, и интенсивность печатного света в фактических тестах. Оборудование для испытаний на поглощение является наиболее важной частью. Форма испытательной камеры должна совпадать со светочувствительной областью измерителя интенсивности света. Из-за свойств материалов, которые непрерывно изменяются в течение всего процесса воздействия ультрафиолетового излучения, интенсивность света должна пр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам раскрывать нечего.

Благодарности

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

Авторы выражают благодарность за поддержку, оказанную Национальным фондом естественных наук Китая (гранты No 12125205, 12072316, 12132014) и Китайским фондом постдокторских наук (грант No 2022M712754).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Бриллиантовый голубойАладдин (Шанхай, Китай).6104-59-2 
DLP программное обеспечениеCreation WorkshopN/A
Литий фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфинатН/ДLAP; синтезированный
источник светаOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 нм
Полиэтилен (гликоль) диакрилатSigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~700
Реометр Антон Паар, АвстрияMCR302

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

DLP BioprintingWorking CurvePhotocurable MaterialsTissue EngineeringContinuous DLP PrintingPhotorheological PropertiesAbsorbance MeasurementPrinting Efficiency3D Bioprinting

Похожие статьи