Summary
تستخدم هذه الدراسة درجة الحرارة وتكوين المواد للتحكم في خصائص إجهاد الخضوع لسوائل إجهاد الخضوع. يمكن للحالة الصلبة الشبيهة بالحبر حماية هيكل الطباعة ، ويمكن للحالة الشبيهة بالسائل أن تملأ موضع الطباعة باستمرار ، مما يحقق الطباعة الرقمية 3D لمعالجة الضوء للأحبار الحيوية الناعمة للغاية.
Abstract
يعد التصنيع الدقيق للطباعة للأحبار الحيوية شرطا أساسيا لهندسة الأنسجة. منحنى عمل جاكوبس هو أداة لتحديد معلمات الطباعة الدقيقة لمعالجة الضوء الرقمي (DLP). ومع ذلك ، فإن الحصول على منحنيات العمل يهدر المواد ويتطلب قابلية عالية للتشكيل للمواد ، والتي ليست مناسبة للمواد الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقليل نشاط الخلية بسبب التعرضات المتعددة وفشل التكوين الهيكلي بسبب تحديد المواقع المتكرر كلاهما مشاكل لا مفر منها في الطباعة الحيوية التقليدية DLP. يقدم هذا العمل طريقة جديدة للحصول على منحنى العمل وعملية تحسين تقنية طباعة DLP المستمرة بناء على منحنى العمل هذا. تعتمد طريقة الحصول على منحنى العمل هذه على الامتصاص والخصائص الضوئية للمواد الحيوية ، والتي لا تعتمد على قابلية تشكيل المواد الحيوية. تزيد عملية طباعة DLP المستمرة ، التي تم الحصول عليها من تحسين عملية الطباعة من خلال تحليل منحنى العمل ، من كفاءة الطباعة بأكثر من عشرة أضعاف وتحسن بشكل كبير من نشاط الخلايا ووظائفها ، وهو أمر مفيد لتطوير هندسة الأنسجة.
Introduction
هندسة الأنسجة1 مهمة في مجال إصلاح الأعضاء. بسبب نقص التبرع بالأعضاء ، لا يمكن علاج بعض الأمراض ، مثل فشل الكبد والفشل الكلوي ، بشكل جيد ، ولا يتلقى العديد من المرضى العلاج في الوقت المناسب2. المواد العضوية مع الوظيفة المطلوبة للأعضاء قد تحل المشكلة الناجمة عن عدم التبرع بالأعضاء. يعتمد بناء المواد العضوية على تقدم وتطوير تكنولوجيا الطباعة الحيوية3.
بالمقارنة مع الطباعة الحيوية من نوع البثق4 والطباعة الحيوية من نوع نفث الحبر5 ، فإن سرعة الطباعة ودقة الطباعة لطريقة الطباعة الحيوية لمعالجة الضوء الرقمي (DLP) أعلى 6,7. وحدة الطباعة لطريقة نوع البثق هي سطرا تلو الآخر ، في حين أن وحدة الطباعة لطريقة نفث الحبر هي نقطة تلو الأخرى ، وهي أقل كفاءة من وحدة الطباعة طبقة تلو الأخرى للطباعة الحيوية DLP. يحدد التعرض للأشعة فوق البنفسجية المعدلة (UV) لطبقة كاملة من المواد لعلاج طبقة في الطباعة الحيوية DLP وحجم ميزة الصورة دقة طباعة DLP. هذا يجعل تقنية DLP فعالة للغاية8،9،10. نظرا للتجاوز الزائد لضوء الأشعة فوق البنفسجية ، فإن العلاقة الدقيقة بين وقت المعالجة وحجم الطباعة مهمة للطباعة الحيوية DLP عالية الدقة. علاوة على ذلك ، تعد طباعة DLP المستمرة تعديلا لطريقة طباعة DLP التي يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة الطباعة11،12،13. بالنسبة لطباعة DLP المستمرة ، تعد ظروف الطباعة الدقيقة هي أهم العوامل.
تسمى العلاقة بين وقت المعالجة وحجم الطباعة منحنى عمل جاكوبس ، والذي يستخدم على نطاق واسع في طباعة DLP14،15،16. الطريقة التقليدية للحصول على العلاقة هي تعريض المادة لفترة معينة وقياس سمك المعالجة للحصول على نقطة بيانات حول وقت التعرض وسمك المعالجة. يؤدي تكرار هذه العملية خمس مرات على الأقل وتركيب نقاط البيانات إلى الحصول على منحنى عمل جاكوبس. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها عيوب واضحة. يحتاج إلى استهلاك الكثير من المواد لتحقيق المعالجة ، وتعتمد النتائج بشكل كبير على ظروف الطباعة ، والأحبار الحيوية المستخدمة في الطباعة الحيوية DLP باهظة الثمن ونادرة ، وعادة ما تكون قابلية تشكيل الأحبار الحيوية غير جيدة ، مما قد يؤدي إلى قياسات غير دقيقة لسمك المعالجة.
توفر هذه المقالة طريقة جديدة للحصول على علاقة المعالجة وفقا للخصائص الفيزيائية للحبر الحيوي. يمكن أن يؤدي استخدام هذه النظرية إلى تحسين طباعة DLP المستمرة. يمكن استخدام هذه الطريقة للحصول على علاقة المعالجة بسرعة ودقة أكبر ؛ وبالتالي يمكن تحديد المعالجة المستمرة ل DLP بشكل أفضل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الإعداد النظري
- حدد ثلاثة معلمات: امتصاص السائل (Al) ، والامتصاص الصلب (As) ، ووقت العتبة (tT) 17.
- أعد كتابة منحنى عمل جاكوبس التقليدي باستخدام هذه المعلمات الثلاثة17 وفقا للمعادلة 1:
(المعادلة 1)
هنا ، t H هو وقت المعالجة لطبقة واحدة ، وH هو ارتفاع طبقة واحدة.
(المعادلة 1)2. اكتساب المعلمة
- قم بقياس وقت عتبة الحبر الحيوي باستخدام مقياس ريومتر مزود بعنصر للتحكم في درجة الحرارة.
- استخدم مصدر ضوء 365 نانومتر لفضح منصة اختبار مقياس الريومتر وجعل شدة الضوء بقيمة معينة.
- اضبط مقياس الريومتر للحصول على بيانات Time-Moduli خلال فترة 300 ثانية ، وخذ كل نقطة بيانات كل 0.3 ثانية من خلال خيارات إعدادات الوقت في برنامج مقياس الريومتر. انقر فوق الزر "بدء الاختبار" الخاص بمقياس الريومتر لبدء الاختبار ، وفي الوقت نفسه ، انقر فوق الزر "ابدأ " الخاص بمصدر الضوء.
- عد من بداية التعرض ، عندما تكون بيانات معامل التخزين مساوية لبيانات معامل الخسارة ، يتم التعرف على الوقت المقابل كوقت العتبة. سجل يدويا.
- بناء معدات اختبار الامتصاص كما هو موضح في العمل السابق17. استخدم شريحتين زجاجيتين علويتين وسفليتين لتثبيت الهيكل المطبوع على شكل حلقة (قطر داخلي 5 مم ، قطر خارجي 10 مم) بسمك 500 ميكرومتر بحيث تشكل الدائرة الداخلية للحلقة غرفة. ضع الحجرة في منطقة الاختبار الخاصة بمقياس شدة الضوء واضبط مصدر الضوء لفضح منطقة الغرفة.
ملاحظة: يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي لنتائج الاختبارات الضوئية ونتائج معالجة البيانات ومعدات اختبار الامتصاص.- قم بقياس شدة الضوء الساقط (Ii) عندما لا تمتلئ غرفة الاختبار بمواد من معدات اختبار الامتصاص من خلال قراءة شاشة مقياس شدة الضوء لمعدات الاختبار.
- املأ غرفة الاختبار ب 10 ميكرولتر من الحبر الحيوي.
- قم بتعريض غرفة الاختبار بالحبر الحيوي لضوء الأشعة فوق البنفسجية عند 365 نانومتر. احصل على شدة الضوء (Ilh) من معدات اختبار الامتصاص من خلال قراءة شاشة مقياس شدة الضوء لمعدات الاختبار.
- احصل على شدة الضوء عند معالجة الحبر الحيوي (Ish) من معدات اختبار الامتصاص من خلال قراءة شاشة مقياس شدة الضوء لمعدات الاختبار عندما لا تتغير القيمة. هذه القيمة هي الامتصاص الصلب ، أناsh.
- احسب امتصاص السائل والامتصاص الصلب باستخدام المعادلتين 2 و 3:
المعادلة 2
المعادلة 3
- احصل على منحنى عمل جاكوبس وفقا للمعايير التي تم الحصول عليها.
المعادلة 2
المعادلة 3
الشكل 1: نتائج الاختبار والمعدات . (أ) رسم تخطيطي لنتائج الاختبارات الضوئية ونتائج معالجة البيانات. (ب) معدات اختبار الامتصاص. تم تعديل هذا الرقم بإذن من Li et al.17. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. إعدادات معلمة الطباعة المستمرة DLP
- استخدم برنامج DLP لتحقيق طباعة DLP ومجموعة معلمات الطباعة في البرنامج على النحو التالي.
- اضبط وقت التعرض للطبقة المفردة الأولى كوقت العتبة (tT) في إعدادات معلمات البرنامج.
- احسب وقت التعرض لمعالجة مواد بسمك 10 ميكرومتر وفقا للمعادلة 1 واطرح وقت العتبة للحصول على وقت التعرض الحقيقي لمعالجة طبقة واحدة.
- اضبط الفاصل الزمني بين الطبقات المجاورة على 0 s في إعدادات معلمات البرنامج.
- ابدأ تشغيل الطابعة بالنقر فوق الزر ابدأ ( Start ) الموجود في برنامج الطباعة. عند انتهاء عملية الطباعة، قم بإنهاء الطباعة بالنقر فوق الزر إيقاف ( Stop ) الموجود في برنامج الطباعة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
توضح هذه المقالة طريقة جديدة للحصول على معلمات المعالجة وتقدم طريقة جديدة لتحقيق طباعة DLP مستمرة ، مما يدل على كفاءة هذه الطريقة في تحديد منحنى العمل.
استخدمنا ثلاث مواد مختلفة في طباعة DLP للتحقق من دقة منحنى العمل النظري الذي تم الحصول عليه بالطريقة المقدمة في هذه المقالة. المواد هي 20٪ (v / v) بولي إيثيلين (جلايكول) دياكريلات (PEGDA) ، 0.5٪ (وزن / حجم) ليثيوم فينيل -2،4،6-ثلاثي ميثيل بنزويل فوسفينات (LAP) بتركيزات مختلفة من ممتص الأشعة فوق البنفسجية -0.1٪ (وزن / حجم) ، 0.15٪ (وزن / حجم) ، و 0.2٪ (وزن / حجم) أزرق لامع. يتم عرض بيانات سمك المعالجة الحقيقية مع منحنيات العمل النظرية في الشكل 2.
الشكل 2: مقارنة بين منحنى العمل النظري وبيانات الطباعة الفعلية . (أ) ممتص 0.1٪ (وزن / حجم). (ب) ممتص 0.15٪ (وزن / حجم). (ج) ممتص 0.2٪ (وزن / حجم). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يمكن استخدام منحنى العمل النظري لحساب منحنى العمل بدقة. بغض النظر عن تكوين المواد ، فإن المصادفة العالية لنتائج الطباعة الفعلية والنتائج النظرية تثبت فعالية الطريقة.
قارنا أيضا إجمالي وقت الطباعة لطريقة طباعة DLP التقليدية بطريقة طباعة DLP المستمرة التي تم تطويرها في هذه المقالة. كما هو موضح في الشكل 3 ، كلما كان سمك طبقة الطباعة أصغر ، كان تحسين كفاءة طباعة DLP المستمرة أكثر وضوحا. زادت كفاءة المعالجة بأكثر من عشرة أضعاف.
الشكل 3: مقارنة الكفاءة بين طباعة DLP التقليدية وطباعة DLP المستمرة. تم تعديل هذا الرقم بإذن من Li et al.11. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يمكن استخدام اكتساب منحنى العمل النظري لتحسين عملية DLP وتعزيز تقدم تقنية DLP ، ولكن بدون الحصول على منحنى العمل النظري ، من المستحيل التحكم بدقة في طريقة الطباعة الجديدة. علاوة على ذلك ، كلما كان سمك طبقة الطباعة أصغر ، كانت جودة الطباعة أفضل ، مما يعني أن طريقة طباعة DLP المستمرة المقترحة في هذه المقالة يمكن أن تحقق في نفس الوقت كفاءة عالية ودقة عالية.
الشكل 4: مقارنة نتائج الطباعة بين طباعة DLP التقليدية وطباعة DLP المستمرة . (أ) النموذج المعالج باستخدام الطريقة التقليدية. (ب) النموذج المعالج باستخدام طريقة طباعة DLP المستمرة. تم تعديل هذا الرقم بإذن من Li et al.11. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
على عكس الطريقة التقليدية التي تتطلب تجارب طباعة متكررة ، تحتاج هذه الطريقة فقط إلى اختبار خصائص المواد ذات الصلة للمادة. هناك حاجة إلى كمية صغيرة جدا من المواد للحصول بدقة على منحنى العمل المقابل. لا تهدر الطريقة التقليدية المواد فحسب ، بل تعتمد أيضا بشكل كبير على طرق القياس لتحديد سمك التشكيل الدقيق لأوقات التعرض المختلفة. بالنسبة للمواد ذات القابلية الضعيفة للتشكيل ، من الصعب الحصول على سمك الطباعة بدقة ، وبالتالي فإن منحنى العمل غير دقيق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ويرد وصف للخطوات الحاسمة لهذا البروتوكول في القسم 2. من الضروري توحيد شدة الضوء المستخدمة في اختبار التصوير الضوئي وشدة ضوء الطباعة في الاختبارات الفعلية. معدات اختبار الامتصاص هي الجزء الأكثر أهمية. يجب أن يكون شكل غرفة الاختبار هو نفسه المنطقة الحساسة للضوء لمقياس شدة الضوء. نظرا لخصائص المواد التي تتغير باستمرار أثناء عملية التعرض للأشعة فوق البنفسجية بأكملها ، يجب أن تستمر شدة الضوء في التغيير6. وفقا لتعريف امتصاص السائل والامتصاص الصلب في المعادلة 1 ، يتم تبسيط عملية المعالجة. أخذ البيانات في بداية التعرض كممتص للسائل والبيانات عندما تكون شدة الضوء ثابتة لأن الامتصاص الصلب هو العملية الأكثر أهمية.
تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة لها قيود لا مفر منها ، وهي تبسيط عملية المعالجة. نظرا لأن النمذجة النظرية لهذه الطريقة لا تأخذ في الاعتبار عوامل مثل تثبيط الأكسجين13 ، فهناك أخطاء بين منحنى العمل الفعلي ومنحنى العمل النظري. علاوة على ذلك ، إذا كان الاضطراب الخارجي كبيرا ، فلا يمكن استخدام منحنى العمل النظري بدقة للبحث.
تتطلب الطريقة التقليدية للحصول على منحنى عمل جاكوبس طباعة متعددة بأوقات تعريض مختلفة15. يتم الحصول على منحنى العمل عن طريق قياس سمك الطباعة المقابل لوقت التعرض وتركيب البيانات. تتطلب هذه الطريقة الكثير من المواد وغير فعالة للغاية. تقيد قدرة الطباعة للمادة دقة منحنى العمل ، كما أن مراقبة وقياس الهيكل يضخمان الخطأ أيضا. يمكن للطريقة الواردة في هذه المقالة للحصول على منحنى العمل توفير الكثير من المواد ، ولا يمكن الحصول على منحنيات عمل دقيقة إلا من خلال اختبارات خصائص المواد البسيطة ، ويمكن ضمان دقة منحنى العمل بشكل مستقل عن قابلية تشكيل المادة. في أبحاث الطباعة الحيوية DLP ، عندما تكون المادة ناعمة جدا (E < 10 kPa) لا يمكن طباعتها جيدا ، وسيؤثر ذلك على بيانات سمك الطباعة التي تم الحصول عليها بالطريقة التقليدية ، مما يؤثر على دقة منحنى العمل18. يمكن أن توفر الطريقة المذكورة في هذا البروتوكول حلا لتحديد معلمات عملية طباعة DLP للمواد الحيوية اللينة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 12125205 ، 12072316 ، 12132014) ، ومؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (رقم المنحة 2022M712754).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brilliant Blue | Aladdin (Shanghai, China). | 6104-59-2 | |
| DLP software | Creation Workshop | N/A | |
| Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate | N/A | LAP; synthesized | |
| Light source | OmniCure | https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems | 365 nm |
| Polyethylene (glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 455008 | PEGDA Mw ~700 |
| Rheometer | Anton Paar, Austria | MCR302 |
References
- 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).
- 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).
- Sun, W., et al.
- 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).
- 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).
- Yu, K., et al. Printability during projection-based 3D bioprinting. Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).
- Zhong, Z., et al. Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses. Biofabrication. 13 (4), (2021).
- Huh, J., et al. Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting. Biofabrication. 13 (3), (2021).
- 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).
- Ng, W. L., et al. Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges. Biofabrication. 12 (2), 022001 (2020).
- Li, Y., et al. High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing. Additive Manufacturing. 30, 100889 (2019).
- Kelly, B. E., et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).
- Tumbleston, J. R., et al. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
