Summary
In dieser Studie werden Temperatur und Materialzusammensetzung verwendet, um die Fließspannungseigenschaften von Fließspannungsflüssigkeiten zu steuern. Der festkörperartige Zustand der Tinte kann die Druckstruktur schützen, und der flüssigkeitsähnliche Zustand kann die Druckposition kontinuierlich ausfüllen, wodurch der digitale Lichtverarbeitungs-3D-Druck von extrem weichen Biotinten realisiert wird.
Abstract
Die präzise Druckherstellung von Biotinten ist eine Voraussetzung für das Tissue Engineering. Die Jacobs-Arbeitskurve ist das Werkzeug, um die präzisen Druckparameter der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) zu bestimmen. Die Erfassung von Arbeitskurven verschwendet jedoch Materialien und erfordert eine hohe Umformbarkeit von Materialien, die für Biomaterialien nicht geeignet sind. Darüber hinaus sind die Verringerung der Zellaktivität durch Mehrfachbelichtung und das Versagen der Strukturbildung durch wiederholte Positionierung unvermeidbare Probleme beim konventionellen DLP-Bioprinting. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Ermittlung der Arbeitskurve und der Verbesserungsprozess der kontinuierlichen DLP-Drucktechnologie auf der Grundlage einer solchen Arbeitskurve vorgestellt. Diese Methode zur Erzielung der Arbeitskurve basiert auf der Absorption und den photorheologischen Eigenschaften der Biomaterialien, die nicht von der Umformbarkeit der Biomaterialien abhängen. Der kontinuierliche DLP-Druckprozess, der durch die Verbesserung des Druckprozesses durch Analyse der Arbeitskurve erzielt wird, erhöht die Druckeffizienz um mehr als das Zehnfache und verbessert die Aktivität und Funktionalität der Zellen erheblich, was für die Entwicklung des Tissue Engineering von Vorteil ist.
Introduction
Tissue Engineering1 ist wichtig im Bereich der Organreparatur. Aufgrund des Mangels an Organspenden können einige Krankheiten wie Leberversagen und Nierenversagen nicht gut geheilt werden, und viele Patienten erhalten keine rechtzeitige Behandlung2. Organoide mit der erforderlichen Funktion der Organe können das Problem lösen, das durch das Fehlen einer Organspende verursacht wird. Die Konstruktion von Organoiden hängt vom Fortschritt und der Entwicklung der Bioprinting-Technologieab 3.
Im Vergleich zum Extrusions-Bioprinting4 und dem Inkjet-Bioprinting5 sind die Druckgeschwindigkeit und die Druckgenauigkeit des DLP-Bioprinting-Verfahrens (Digital Light Processing) höher 6,7. Das Druckmodul des Extrusionsverfahrens ist Zeilen-für-Zeile, während das Druckmodul des Inkjet-Verfahrens Punkt-für-Punkt ist, was weniger effizient ist als das Schicht-für-Schicht-Druckmodul des DLP-Bioprintings. Die modulierte ultraviolette (UV) Lichteinwirkung auf eine ganze Materialschicht, um eine Schicht im DLP-Bioprinting auszuhärten, und die Bildgröße bestimmen die Genauigkeit des DLP-Drucks. Das macht die DLP-Technologie sehr effizient 8,9,10. Aufgrund der Überhärtung des UV-Lichts ist das genaue Verhältnis zwischen der Aushärtungszeit und der Druckgröße wichtig für das hochgenaue DLP-Bioprinting. Darüber hinaus ist der kontinuierliche DLP-Druck eine Modifikation des DLP-Druckverfahrens, die die Druckeffizienz erheblich verbessern kann11,12,13. Für den kontinuierlichen DLP-Druck sind präzise Druckbedingungen die wichtigsten Faktoren.
Das Verhältnis zwischen der Aushärtungszeit und der Druckgröße wird als Jacobs-Arbeitskurve bezeichnet, die im DLP-Druck weit verbreitet ist14,15,16. Die traditionelle Methode, um die Beziehung zu erhalten, besteht darin, das Material für eine bestimmte Zeit zu belichten und die Aushärtungsdicke zu messen, um einen Datenpunkt über die Belichtungszeit und die Aushärtungsdicke zu erhalten. Wenn Sie diesen Vorgang mindestens fünfmal wiederholen und die Datenpunkte anpassen, erhalten Sie die Jacobs-Arbeitskurve. Diese Methode hat jedoch offensichtliche Nachteile; Es muss viel Material verbraucht werden, um die Aushärtung zu erreichen, die Ergebnisse hängen stark von den Druckbedingungen ab, die im DLP-Bioprinting verwendeten Biotinten sind teuer und selten, und die Formbarkeit der Biotinten ist in der Regel nicht gut, was zu ungenauen Messungen der Aushärtungsdicke führen kann.
Dieser Artikel stellt eine neue Methode vor, um die Aushärtungsbeziehung entsprechend den physikalischen Eigenschaften der Biotinte zu erhalten. Mit dieser Theorie kann der kontinuierliche DLP-Druck optimiert werden. Diese Methode kann verwendet werden, um die Aushärtungsbeziehung schneller und genauer zu erhalten. Die kontinuierliche DLP-Aushärtung kann somit besser bestimmt werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Theoretische Vorbereitung
- Definieren Sie drei Parameter: Flüssigkeitsabsorption (Al), Feststoffabsorption (As) und Schwellenzeit (tT)17.
- Schreiben Sie die traditionelle Jacobs-Arbeitskurve mit diesen drei Parametern17 gemäß Gleichung 1 um:
(Gleichung 1)
Hier ist t H die Aushärtungszeit einer einzelnen Schicht undH die Höhe einer einzelnen Schicht.
(Gleichung 1)2. Parametererfassung
- Messen Sie die Schwellenzeit der Biotinte mit einem Rheometer, das mit einem Element zur Temperaturregelung ausgestattet ist.
- Verwenden Sie eine 365-nm-Lichtquelle, um die Testplattform des Rheometers zu belichten und die Lichtintensität auf einen bestimmten Wert einzustellen.
- Stellen Sie das Rheometer so ein, dass es die Zeitmoduldaten über einen Zeitraum von 300 s erhält, und nehmen Sie jeden Datenpunkt alle 0,3 s durch die Zeiteinstellungsoptionen in der Rheometer-Software. Klicken Sie auf die Schaltfläche Test starten des Rheometers, um den Test zu starten , und klicken Sie gleichzeitig auf die Schaltfläche Start der Lichtquelle.
- Gerechnet ab Beginn der Belichtung, wenn die Speichermoduldaten gleich den Verlustmoduldaten sind, wird die entsprechende Zeit als Schwellenzeit erkannt. Manuell aufnehmen.
- Bauen Sie die Absorptionsprüfgeräte wie in der vorherigen Arbeit17 gezeigt. Verwenden Sie zwei obere und untere Glasobjektträger, um die ringförmig gedruckte Struktur (5 mm Innendurchmesser, 10 mm Außendurchmesser) mit einer Dicke von 500μm so einzuspannen, dass der Innenkreis des Rings eine Kammer bildet. Stellen Sie die Kammer auf den Testbereich des Lichtintensitätsmessers und stellen Sie die Lichtquelle so ein, dass sie den Kammerbereich belichtet.
HINWEIS: Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der photorheologischen Testergebnisse und Datenverarbeitungsergebnisse sowie die Absorptionsprüfgeräte.- Messen Sie die einfallende Lichtintensität (Ii), wenn die Prüfkammer nicht mit Material aus dem Absorptionsprüfgerät gefüllt ist, indem Sie das Display des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen.
- Füllen Sie die Testkammer mit 10 μL Biotinte.
- Setzen Sie die Testkammer mit Biotinte UV-Licht bei 365 nm aus. Ermitteln Sie die Lichtintensität (Ilh) aus dem Absorptionsprüfgerät, indem Sie das Display des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen.
- Ermitteln Sie die Lichtintensität bei Aushärtung der Biotinte (Ish) aus dem Absorptionsprüfgerät, indem Sie die Anzeige des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen, wenn sich der Wert nicht mehr ändert. Dieser Wert ist die feste Absorption, Ish.
- Berechnen Sie die Flüssigkeitsabsorption und die Feststoffabsorption mit den Gleichungen 2 und 3:
Gleichung 2
Gleichung 3
- Erhalten Sie die Jacobs-Arbeitskurve gemäß den erhaltenen Parametern.
Gleichung 2
Gleichung 3
Abbildung 1: Testergebnisse und Ausrüstung. (A) Schematische Darstellung der photorheologischen Testergebnisse und der Ergebnisse der Datenverarbeitung. (B) Geräte für Absorptionsprüfungen. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Li et al.17 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
3. Parametereinstellungen für den kontinuierlichen DLP-Druck
- Verwenden Sie die DLP-Software, um DLP-Druck zu erzielen, und verwenden Sie die folgenden Druckparameter in der Software.
- Stellen Sie die Belichtungszeit der ersten einzelnen Ebene als Schwellwertzeit (tT) in den Parametereinstellungen der Software ein.
- Berechnen Sie die Einwirkzeit für die Aushärtung von 10 μm dicken Materialien gemäß Gleichung 1 und subtrahieren Sie die Schwellenzeit, um die tatsächliche Belichtungszeit für die Aushärtung einer einzelnen Schicht zu erhalten.
- Stellen Sie das Zeitintervall zwischen benachbarten Layern in den Parametereinstellungen der Software auf 0 s ein.
- Starten Sie den Drucker, indem Sie in der Drucksoftware auf die Schaltfläche Start klicken. Wenn der Druckvorgang beendet ist, beenden Sie den Druckvorgang, indem Sie in der Drucksoftware auf die Schaltfläche Stopp klicken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dieser Artikel zeigt eine neue Methode zur Ermittlung von Aushärtungsparametern und stellt eine neue Methode vor, um einen kontinuierlichen DLP-Druck zu erreichen, wobei die Effizienz dieser Methode bei der Bestimmung der Arbeitskurve demonstriert wird.
Wir haben drei verschiedene Materialien im DLP-Druck verwendet, um die Genauigkeit der theoretischen Arbeitskurve zu überprüfen, die durch die in diesem Artikel vorgestellte Methode erhalten wurde. Die Materialien bestehen aus 20 % (v/v) Polyethylen (Glykol)-Diacrylat (PEGDA), 0,5 % (w/v) Lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat (LAP) mit unterschiedlichen Konzentrationen von UV-Absorber-0,1 % (w/v), 0,15 % (w/v) und 0,2 % (w/v) Brillantblau. Die realen Aushärtungsdickendaten mit den theoretischen Arbeitskurven sind in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Vergleich zwischen der theoretischen Arbeitskurve und den tatsächlichen Druckdaten . (A) 0,1 % (w/v) Absorber. (B) 0,15 % (w/v) Absorber. (C) 0,2 % (w/v) Absorber. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die theoretische Arbeitskurve kann verwendet werden, um die Arbeitskurve genau zu berechnen. Unabhängig von der Materialzusammensetzung belegt die hohe Übereinstimmung der tatsächlichen Druckergebnisse mit den theoretischen Ergebnissen die Wirksamkeit des Verfahrens.
Wir haben auch die Gesamtdruckzeit des traditionellen DLP-Druckverfahrens mit dem in diesem Artikel entwickelten kontinuierlichen DLP-Druckverfahren verglichen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist die Verbesserung der kontinuierlichen DLP-Druckeffizienz umso deutlicher, je kleiner die Druckschichtdicke ist. Die Aushärtungseffizienz hat sich mehr als verzehnfacht.
Abbildung 3: Effizienzvergleich zwischen herkömmlichem DLP-Druck und kontinuierlichem DLP-Druck. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Li et al.11 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Erfassung der theoretischen Arbeitskurve kann verwendet werden, um den DLP-Prozess zu verbessern und den Fortschritt der DLP-Technologie zu fördern, aber ohne die Erfassung der theoretischen Arbeitskurve ist es unmöglich, das neue Druckverfahren genau zu steuern. Darüber hinaus gilt: Je kleiner die Druckschichtdicke, desto besser die Druckqualität, was bedeutet, dass das in diesem Artikel vorgeschlagene kontinuierliche DLP-Druckverfahren gleichzeitig eine hohe Effizienz und hohe Wiedergabetreue erreichen kann.
Abbildung 4: Vergleich der Druckergebnisse zwischen herkömmlichem DLP-Druck und kontinuierlichem DLP-Druck . (A) Das ausgehärtete Modell mit der traditionellen Methode. (B) Das ausgehärtete Modell mit unserem kontinuierlichen DLP-Druckverfahren. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Li et al.11 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Methode, bei der wiederholte Druckversuche erforderlich sind, müssen bei dieser Methode nur die relevanten Materialeigenschaften des Materials getestet werden. Es wird nur eine sehr geringe Menge an Material benötigt, um die entsprechende Arbeitskurve genau zu erhalten. Die traditionelle Methode verschwendet nicht nur Material, sondern stützt sich auch stark auf Messmethoden, um die genaue Formdicke verschiedener Belichtungszeiten zu bestimmen. Bei Materialien mit schlechter Umformbarkeit ist es schwierig, die Druckdicke genau zu ermitteln, so dass die Arbeitskurve ungenau ist.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Die kritischen Schritte dieses Protokolls sind in Abschnitt 2 beschrieben. Es ist notwendig, die Lichtintensität, die bei der photorheologischen Prüfung verwendet wird, und die Drucklichtintensität bei den eigentlichen Tests zu vereinheitlichen. Die Absorptionsprüfgeräte sind der wichtigste Teil. Die Form der Prüfkammer sollte mit dem lichtempfindlichen Bereich des Lichtintensitätsmessers übereinstimmen. Aufgrund der Eigenschaften der Materialien, die sich während des gesamten UV-Belichtungsprozesses ständig ändern, muss sich die Lichtintensität ständig ändern6. Gemäß der Definition von flüssiger Absorption und fester Absorption in Gleichung 1 wird der Aushärtungsprozess vereinfacht. Die Daten zu Beginn der Belichtung als Flüssigkeitsabsorption und die Daten bei konstanter Lichtintensität als feste Absorption sind der kritischste Vorgang.
Es ist erwähnenswert, dass diese Methode eine unvermeidliche Einschränkung hat, nämlich die Vereinfachung des Aushärtungsprozesses. Da die theoretische Modellierung dieser Methode Faktoren wie die Sauerstoffinhibition13 nicht berücksichtigt, kommt es zu Fehlern zwischen der tatsächlichen Arbeitskurve und der theoretischen Arbeitskurve. Wenn die externe Störung groß ist, kann die theoretische Arbeitskurve nicht genau für die Forschung verwendet werden.
Die traditionelle Methode zur Erzielung der Jacobs-Arbeitskurve erfordert einen Mehrfachdruck mit unterschiedlichen Belichtungszeiten15. Die Arbeitskurve ergibt sich aus der Messung der Druckdicke, die der Belichtungszeit entspricht, und der Anpassung der Daten. Diese Methode erfordert viel Material und ist sehr ineffizient. Die Druckfähigkeit des Materials schränkt die Genauigkeit der Arbeitskurve ein, und die Beobachtung und Messung der Struktur verstärkt den Fehler ebenfalls. Die Methode in diesem Artikel zur Ermittlung der Arbeitskurve kann viele Materialien einsparen, genaue Arbeitskurven können nur durch einfache Materialeigenschaftstests erhalten werden, und die Genauigkeit der Arbeitskurve kann unabhängig von der Umformbarkeit des Materials garantiert werden. In der DLP-Bioprinting-Forschung kann das Material, wenn es sehr weich ist (E < 10 kPa), nicht gut gedruckt werden, und dies wirkt sich auf die Druckdickendaten aus, die mit dem herkömmlichen Verfahren erhalten werden, wodurch die Genauigkeit der Arbeitskurve18 beeinträchtigt wird. Die in diesem Protokoll erwähnte Methode kann eine Lösung für die Bestimmung der DLP-Druckprozessparameter von weichen Biomaterialien bieten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Die Autorinnen und Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) und die China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 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).
