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Bioengineering

निरंतर डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग आधारित प्रिंटिंग के लिए तरल फोटोसेंसिटिव बायोइंक गुणों का मात्रात्मक लक्षण वर्णन

Published: April 14, 2023 doi: 10.3791/65277
* These authors contributed equally

Summary

यह अध्ययन उपज तनाव तरल पदार्थों के उपज तनाव गुणों को नियंत्रित करने के लिए तापमान और सामग्री संरचना का उपयोग करता है। स्याही की ठोस जैसी स्थिति मुद्रण संरचना की रक्षा कर सकती है, और तरल जैसी स्थिति लगातार मुद्रण की स्थिति को भर सकती है, जिससे बेहद नरम बायोइंक के डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग 3 डी प्रिंटिंग का एहसास होता है।

Abstract

बायोइंक का सटीक मुद्रण निर्माण ऊतक इंजीनियरिंग के लिए एक शर्त है; जैकब्स वर्किंग कर्व डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग (डीएलपी) के सटीक प्रिंटिंग मापदंडों को निर्धारित करने के लिए उपकरण है। हालांकि, काम करने वाले वक्रों का अधिग्रहण सामग्री को बर्बाद करता है और सामग्री की उच्च फॉर्मेबिलिटी की आवश्यकता होती है, जो बायोमैटेरियल्स के लिए उपयुक्त नहीं हैं। इसके अलावा, कई एक्सपोज़र के कारण सेल गतिविधि में कमी और बार-बार स्थिति के कारण संरचनात्मक गठन की विफलता दोनों पारंपरिक डीएलपी बायोप्रिंटिंग में अपरिहार्य समस्याएं हैं। यह काम कार्य वक्र प्राप्त करने की एक नई विधि और इस तरह के कार्य वक्र के आधार पर निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग तकनीक की सुधार प्रक्रिया का परिचय देता है। कार्य वक्र प्राप्त करने की यह विधि बायोमैटेरियल्स के अवशोषण और फोटोरियोलॉजिकल गुणों पर आधारित है, जो बायोमटेरियल्स की फॉर्मेबिलिटी पर निर्भर नहीं करती है। कार्य वक्र का विश्लेषण करके मुद्रण प्रक्रिया में सुधार से प्राप्त निरंतर डीएलपी मुद्रण प्रक्रिया, मुद्रण दक्षता को दस गुना से अधिक बढ़ाती है और कोशिकाओं की गतिविधि और कार्यक्षमता में बहुत सुधार करती है, जो ऊतक इंजीनियरिंग के विकास के लिए फायदेमंद है।

Introduction

ऊतक इंजीनियरिंग1 अंग की मरम्मत के क्षेत्र में महत्वपूर्ण है। अंग दान की कमी के कारण, कुछ बीमारियां, जैसे कि यकृत की विफलता और गुर्दे की विफलता, अच्छी तरह से ठीक नहीं हो सकती है, और कई रोगियों को समय पर उपचार नहीं मिलताहै। अंगों के आवश्यक कार्य के साथ ऑर्गेनोइड्स अंग दान की कमी के कारण होने वाली समस्या को हल कर सकते हैं। ऑर्गेनोइड्स का निर्माण बायोप्रिंटिंगप्रौद्योगिकी की प्रगति और विकास पर निर्भर करता है।

एक्सट्रूज़न-टाइप बायोप्रिंटिंग4 और इंकजेट-टाइप बायोप्रिंटिंग5 की तुलना में, डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग (डीएलपी) बायोप्रिंटिंग विधि की प्रिंटिंग गति और मुद्रण सटीकता 6,7 अधिक है। एक्सट्रूज़न-प्रकार विधि का प्रिंटिंग मॉड्यूल लाइन-दर-लाइन है, जबकि इंकजेट-प्रकार विधि का प्रिंटिंग मॉड्यूल डॉट-बाय-डॉट है, जो डीएलपी बायोप्रिंटिंग के परत-दर-परत प्रिंटिंग मॉड्यूल की तुलना में कम कुशल है। डीएलपी बायोप्रिंटिंग में एक परत को ठीक करने के लिए सामग्री की एक पूरी परत के लिए मॉड्यूलेटेड पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश जोखिम और छवि का फीचर आकार डीएलपी प्रिंटिंग की सटीकता निर्धारित करता है। यह डीएलपी प्रौद्योगिकी को बहुत कुशल 8,9,10 बनाता है। यूवी प्रकाश के ओवरक्योरिंग के कारण, उच्च सटीकता डीएलपी बायोप्रिंटिंग के लिए इलाज के समय और मुद्रण आकार के बीच सटीक संबंध महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग डीएलपी प्रिंटिंग विधि का एक संशोधन है जो मुद्रण दक्षता11,12,13 में काफी सुधार कर सकता है। निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग के लिए, सटीक मुद्रण की स्थिति सबसे महत्वपूर्ण कारक हैं।

इलाज के समय और मुद्रण आकार के बीच संबंध को जैकब्स वर्किंग कर्व कहा जाता है, जिसका व्यापक रूप से डीएलपी प्रिंटिंग14,15,16 में उपयोग किया जाता है। संबंध प्राप्त करने का पारंपरिक तरीका एक निश्चित समय के लिए सामग्री को उजागर करना और एक्सपोजर समय और इलाज मोटाई के बारे में डेटा बिंदु प्राप्त करने के लिए इलाज की मोटाई को मापना है। इस ऑपरेशन को कम से कम पांच बार दोहराना और डेटा बिंदुओं को फिट करना जैकब्स वर्किंग कर्व प्राप्त करता है। हालांकि, इस विधि के स्पष्ट नुकसान हैं; इलाज प्राप्त करने के लिए इसे बहुत सारी सामग्री का उपभोग करने की आवश्यकता होती है, परिणाम मुद्रण स्थितियों पर अत्यधिक निर्भर होते हैं, डीएलपी बायोप्रिंटिंग में उपयोग किए जाने वाले बायोइंक महंगे और दुर्लभ होते हैं, और बायोइंक की फॉर्मेबिलिटी आमतौर पर अच्छी नहीं होती है, जिससे मोटाई के इलाज के गलत माप हो सकते हैं।

यह लेख बायोइंक के भौतिक गुणों के अनुसार इलाज संबंध प्राप्त करने के लिए एक नई विधि प्रदान करता है। इस सिद्धांत का उपयोग निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग को अनुकूलित कर सकते हैं। इस विधि का उपयोग इलाज संबंध को अधिक तेज़ी से और सटीक रूप से प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है; इसलिए निरंतर डीएलपी इलाज बेहतर निर्धारित किया जा सकता है।

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Protocol

1. सैद्धांतिक तैयारी

  1. तीन मापदंडों को परिभाषित करें: तरल अवशोषण (एएल), ठोस अवशोषण (एएस), और थ्रेशोल्ड समय (टीटी) 17
  2. समीकरण 1 के अनुसार इन तीन मापदंडों17 का उपयोग करके पारंपरिक जैकब्स वर्किंग कर्व को फिर से लिखें:
    Equation 1(समीकरण 1)
    यहां, टी एच एक एकल परत का इलाज समय है, औरएच एक एकल परत की ऊंचाई है।

2. पैरामीटर अधिग्रहण

  1. तापमान नियंत्रण के लिए एक तत्व से लैस रिओमीटर का उपयोग करके बायोइंक के दहलीज समय को मापें।
    1. रिओमीटर के परीक्षण मंच को उजागर करने और एक निश्चित मूल्य पर प्रकाश तीव्रता बनाने के लिए 365 एनएम प्रकाश स्रोत का उपयोग करें।
    2. 300 सेकंड की अवधि के दौरान टाइम-मोडुलिन डेटा प्राप्त करने के लिए रिओमीटर सेट करें, और प्रत्येक डेटा बिंदु को हर 0.3 सेकंड में रिओमीटर सॉफ्टवेयर में टाइम सेटिंग्स विकल्पों के माध्यम से लें। परीक्षण शुरू करने के लिए रिओमीटर के स्टार्ट टेस्ट बटन पर क्लिक करें, और उसी समय, प्रकाश स्रोत के स्टार्ट बटन पर क्लिक करें।
    3. एक्सपोजर की शुरुआत से गिनते हुए, जब भंडारण मापांक डेटा हानि मापांक डेटा के बराबर होता है, तो संबंधित समय को थ्रेशोल्ड समय के रूप में पहचाना जाता है। मैन्युअल रूप से रिकॉर्ड करें।
  2. अवशोषण परीक्षण उपकरण का निर्माण करें जैसा कि पिछले काम17 में दिखाया गया है। अंगूठी के आकार की मुद्रित संरचना (5 मिमी आंतरिक व्यास, 10 मिमी बाहरी व्यास) को 500μm की मोटाई के साथ दबाने के लिए दो ऊपरी और निचले ग्लास स्लाइड का उपयोग करें ताकि अंगूठी का आंतरिक सर्कल एक कक्ष बनाए। कक्ष को प्रकाश तीव्रता मीटर के परीक्षण क्षेत्र पर रखें और कक्ष क्षेत्र को उजागर करने के लिए प्रकाश स्रोत सेट करें।
    नोट: चित्रा 1 फोटोरियोलॉजिकल परीक्षण परिणामों और डेटा प्रोसेसिंग परिणामों और अवशोषण परीक्षण उपकरण के योजनाबद्ध आरेख को दर्शाता है।
    1. घटना प्रकाश तीव्रता(आई) को मापें जब परीक्षण कक्ष परीक्षण उपकरण के प्रकाश तीव्रता मीटर के प्रदर्शन को पढ़कर अवशोषण परीक्षण उपकरण से सामग्री से भरा नहीं होता है।
    2. परीक्षण कक्ष को 10 μLof bioink के साथ भरें।
    3. 365 एनएम पर यूवी प्रकाश के लिए बायोइंक के साथ परीक्षण कक्ष को उजागर करें। परीक्षण उपकरण के प्रकाश तीव्रता मीटर के प्रदर्शन को पढ़कर अवशोषण परीक्षण उपकरण से प्रकाश तीव्रता (आईएलएच) प्राप्त करें।
    4. परीक्षण उपकरण के प्रकाश तीव्रता मीटर के प्रदर्शन को पढ़कर अवशोषण परीक्षण उपकरण से बायोइंक ठीक होने पर प्रकाश तीव्रता प्राप्त करें (आईएसएच) जब मूल्य अब नहीं बदलता है। यह मान ठोस अवशोषण है, मैं
    5. समीकरण 2 और 3 का उपयोग करके तरल अवशोषण और ठोस अवशोषण की गणना करें:
      Equation 2     समीकरण 2
      Equation 3     समीकरण 3
  3. प्राप्त मापदंडों के अनुसार जैकब्स कार्य वक्र प्राप्त करें।

Figure 1
चित्र 1: परीक्षण परिणाम और उपकरण । () फोटोरियोलॉजिकल परीक्षण परिणामों और डेटा प्रोसेसिंग परिणामों का योजनाबद्ध आरेख। (बी) अवशोषण परीक्षण उपकरण। यह आंकड़ा ली एट अल.17 की अनुमति से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

3. निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग पैरामीटर सेटिंग्स

  1. DLP मुद्रण प्राप्त करने के लिए DLP सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें, और सॉफ़्टवेयर में मुद्रण पैरामीटर का सेट निम्नानुसार है।
  2. सॉफ़्टवेयर की पैरामीटर सेटिंग्स में थ्रेशोल्ड समय (टीटी) के रूप में पहली एकल परत के एक्सपोज़र समय को सेट करें।
    1. समीकरण 1 के अनुसार 10 μmमोटी सामग्री के इलाज के जोखिम समय की गणना करें और एक परत को ठीक करने के लिए वास्तविक जोखिम समय प्राप्त करने के लिए थ्रेशोल्ड समय घटाएं।
  3. सॉफ़्टवेयर की पैरामीटर सेटिंग्स में आसन्न परतों के बीच समय अंतराल को 0 s पर सेट करें।
  4. मुद्रण सॉफ़्टवेयर में प्रारंभ बटन क्लिक करके प्रिंटर प्रारंभ करें। जब मुद्रण प्रक्रिया समाप्त हो जाती है, तो मुद्रण सॉफ़्टवेयर में स्टॉप बटन पर क्लिक करके मुद्रण समाप्त करें।

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Representative Results

यह लेख इलाज मापदंडों को प्राप्त करने के लिए एक नई विधि दिखाता है और निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग प्राप्त करने के लिए एक नया तरीका पेश करता है, जो कार्य वक्र को निर्धारित करने में इस विधि की दक्षता का प्रदर्शन करता है।

हमने इस लेख में पेश की गई विधि द्वारा प्राप्त सैद्धांतिक कार्य वक्र की सटीकता को सत्यापित करने के लिए डीएलपी प्रिंटिंग में तीन अलग-अलग सामग्रियों का उपयोग किया। सामग्री 20% (वी / वी) पॉलीथीन (ग्लाइकोल) डायक्रिलेट (पीईजीडीए), 0.5% (डब्ल्यू / वी) लिथियम फिनाइल -2,4,6-ट्राइमेथिलबेंजोइलफॉस्फीनेट (एलएपी) यूवी अवशोषक की विभिन्न सांद्रता के साथ हैं - 0.1% (डब्ल्यू / वी), 0.15% (डब्ल्यू / वी), और 0.2% (डब्ल्यू / वी) ब्रिलियंट ब्लू। सैद्धांतिक कार्य वक्रों के साथ वास्तविक इलाज मोटाई डेटा चित्रा 2 में दिखाया गया है।

Figure 2
चित्रा 2: सैद्धांतिक कार्य वक्र और वास्तविक मुद्रण डेटा के बीच तुलना । () 0.1% (डब्ल्यू / वी) अवशोषक। (बी) 0.15% (डब्ल्यू / वी) अवशोषक। (सी) 0.2% (डब्ल्यू / वी) अवशोषक। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

सैद्धांतिक कार्य वक्र का उपयोग कार्य वक्र की सटीक गणना करने के लिए किया जा सकता है। कोई फर्क नहीं पड़ता कि सामग्री संरचना क्या है, वास्तविक मुद्रण परिणामों और सैद्धांतिक परिणामों का उच्च संयोग विधि की प्रभावशीलता को साबित करता है।

हमने इस लेख में विकसित निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग विधि के साथ पारंपरिक डीएलपी प्रिंटिंग विधि के कुल मुद्रण समय की तुलना भी की। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, मुद्रण परत की मोटाई जितनी छोटी होगी, निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग दक्षता में सुधार उतना ही स्पष्ट होगा। इलाज दक्षता दस गुना से अधिक बढ़ गई।

Figure 3
चित्रा 3: पारंपरिक डीएलपी प्रिंटिंग और निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग के बीच दक्षता तुलना। यह आंकड़ा ली एट अल.11 की अनुमति से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

सैद्धांतिक कार्य वक्र के अधिग्रहण का उपयोग डीएलपी प्रक्रिया को बेहतर बनाने और डीएलपी प्रौद्योगिकी की प्रगति को बढ़ावा देने के लिए किया जा सकता है, लेकिन सैद्धांतिक कार्य वक्र के अधिग्रहण के बिना, नई मुद्रण विधि को सटीक रूप से नियंत्रित करना असंभव है। इसके अलावा, प्रिंटिंग परत की मोटाई जितनी छोटी होगी, मुद्रण की गुणवत्ता उतनी ही बेहतर होगी, जिसका अर्थ है कि इस लेख में प्रस्तावित निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग विधि एक साथ उच्च दक्षता और उच्च निष्ठा प्राप्त कर सकती है।

Figure 4
चित्रा 4: पारंपरिक डीएलपी प्रिंटिंग और निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग के बीच मुद्रण परिणामों की तुलना। () पारंपरिक विधि का उपयोग करके ठीक किया गया मॉडल। (बी) हमारे निरंतर डीएलपी प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके ठीक किया गया मॉडल। यह आंकड़ा ली एट अल.11 की अनुमति से संशोधित किया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पारंपरिक विधि के विपरीत जिसमें बार-बार मुद्रण प्रयोगों की आवश्यकता होती है, इस विधि को केवल सामग्री के प्रासंगिक भौतिक गुणों का परीक्षण करने की आवश्यकता होती है। इसके संबंधित कार्य वक्र को सटीक रूप से प्राप्त करने के लिए केवल बहुत कम मात्रा में सामग्री की आवश्यकता होती है। पारंपरिक विधि न केवल सामग्री को बर्बाद करती है, बल्कि विभिन्न एक्सपोजर समय की सटीक मोल्डिंग मोटाई निर्धारित करने के लिए माप विधियों पर भी बहुत अधिक निर्भर करती है। खराब फॉर्मेबिलिटी वाली सामग्रियों के लिए, मुद्रण मोटाई को सटीक रूप से प्राप्त करना मुश्किल है, इसलिए कार्य वक्र गलत है।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल के महत्वपूर्ण चरणों को खंड 2 में वर्णित किया गया है। फोटोरियोलॉजी परीक्षण में उपयोग की जाने वाली प्रकाश तीव्रता और वास्तविक परीक्षणों में मुद्रण प्रकाश तीव्रता को एकजुट करना आवश्यक है। अवशोषण परीक्षण उपकरण सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। परीक्षण कक्ष का आकार प्रकाश तीव्रता मीटर के फोटोसेंसिटिव क्षेत्र के समान होना चाहिए। पूरे यूवी प्रकाश एक्सपोजर प्रक्रिया के दौरान लगातार बदलने वाली सामग्रियों के गुणों के कारण, प्रकाश की तीव्रता को बदलना जारी रखने की आवश्यकताहोती है। समीकरण 1 में तरल अवशोषण और ठोस अवशोषण की परिभाषा के अनुसार, इलाज प्रक्रिया को सरल बनाया गया है। एक्सपोजर की शुरुआत में डेटा को तरल अवशोषण के रूप में लेना और जब प्रकाश की तीव्रता ठोस अवशोषण के रूप में स्थिर होती है तो डेटा लेना सबसे महत्वपूर्ण ऑपरेशन है।

यह ध्यान देने योग्य है कि इस विधि में एक अपरिहार्य सीमा है, जो इलाज प्रक्रिया का सरलीकरण है। चूंकि इस पद्धति का सैद्धांतिक मॉडलिंग ऑक्सीजन निषेध13 जैसे कारकों पर विचार नहीं करता है, इसलिए वास्तविक कार्य वक्र और सैद्धांतिक कार्य वक्र के बीच त्रुटियां हैं। इसके अलावा, यदि बाहरी गड़बड़ी बड़ी है, तो सैद्धांतिक कार्य वक्र का उपयोग अनुसंधान के लिए सटीक रूप से नहीं किया जा सकता है।

जैकब्स वर्किंग कर्व प्राप्त करने की पारंपरिक विधि को अलग-अलग एक्सपोज़र समय15 के साथ कई प्रिंटिंग की आवश्यकता होती है। कार्य वक्र एक्सपोजर समय के अनुरूप मुद्रण मोटाई को मापकर और डेटा को फिट करके प्राप्त किया जाता है। इस विधि के लिए बहुत सारी सामग्री की आवश्यकता होती है और यह बहुत अक्षम है। सामग्री की मुद्रण क्षमता कार्य वक्र की सटीकता को प्रतिबंधित करती है, और संरचना का अवलोकन और माप भी त्रुटि को बढ़ाता है। कार्य वक्र प्राप्त करने के लिए इस लेख में विधि बहुत सारी सामग्रियों को बचा सकती है, सटीक कार्य वक्र केवल सरल सामग्री संपत्ति परीक्षणों के माध्यम से प्राप्त किए जा सकते हैं, और कार्य वक्र की सटीकता को सामग्री की फॉर्मेबिलिटी से स्वतंत्र गारंटी दी जा सकती है। डीएलपी बायोप्रिंटिंग अनुसंधान में, जब सामग्री बहुत नरम होती है (ई < 10 केपीए) तो इसे अच्छी तरह से मुद्रित नहीं किया जा सकता है, और यह पारंपरिक विधि द्वारा प्राप्त मुद्रण मोटाई डेटा को प्रभावित करेगा, जिससे कार्य वक्र18 की सटीकता प्रभावित होगी। इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित विधि नरम बायोमटेरियल्स के डीएलपी प्रिंटिंग प्रक्रिया मापदंडों के निर्धारण के लिए एक समाधान प्रदान कर सकती है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखक चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या 12125205, 12072316, 12132014), और चीन पोस्टडॉक्टरल साइंस फाउंडेशन (अनुदान संख्या 2022 एम 712754) द्वारा प्रदान किए गए समर्थन को कृतज्ञता पूर्वक स्वीकार करते हैं।

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

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References

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Li, Y., Wang, Y., Yin, J., Qian, J.More

Li, Y., Wang, Y., Yin, J., Qian, J. Quantitative Characterization of Liquid Photosensitive Bioink Properties for Continuous Digital Light Processing Based Printing. J. Vis. Exp. (194), e65277, doi:10.3791/65277 (2023).

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