Summary
이 연구는 항복 응력 유체의 항복 응력 특성을 제어하기 위해 온도 및 재료 조성을 사용합니다. 잉크의 고체 상태는 인쇄 구조를 보호 할 수 있으며 액체와 같은 상태는 인쇄 위치를 지속적으로 채울 수있어 매우 부드러운 바이오 잉크의 디지털 광 처리 3D 인쇄를 실현합니다.
Abstract
바이오잉크의 정밀한 프린팅 제조는 조직 공학의 전제 조건입니다. Jacobs 작업 곡선은 디지털 조명 처리(DLP)의 정확한 인쇄 매개변수를 결정하는 도구입니다. 그러나 작업 곡선을 획득하면 재료가 낭비되고 생체 재료에 적합하지 않은 재료의 높은 성형성이 필요합니다. 또한, 다중 노출로 인한 세포 활성의 감소와 반복적인 위치 지정으로 인한 구조적 형성의 실패는 모두 기존의 DLP 바이오프린팅에서 피할 수 없는 문제입니다. 이 작업은 작업 곡선을 얻는 새로운 방법과 이러한 작업 곡선을 기반으로 한 연속 DLP 인쇄 기술의 개선 프로세스를 소개합니다. 이 작업 곡선을 얻는 방법은 생체 재료의 성형성에 의존하지 않는 생체 재료의 흡광도 및 광 유변학적 특성을 기반으로 합니다. 작업 곡선을 분석하여 인쇄 공정을 개선하여 얻은 연속 DLP 인쇄 공정은 인쇄 효율을 10배 이상 높이고 세포의 활동과 기능을 크게 향상시켜 조직 공학의 발전에 도움이 됩니다.
Introduction
조직공학1 은 장기수복 분야에서 중요하다. 장기 기증이 부족하여 간부전, 신부전 등 일부 질환을 잘 치료할 수 없고, 제때 치료를 받지 못하는 환자도 많다2. 장기의 필수 기능을 가진 오가노이드는 장기 기증 부족으로 인한 문제를 해결할 수 있습니다. 오가노이드의 구성은 바이오프린팅 기술의 발전과 발전에 달려 있다3.
압출 형 바이오 프린팅 (4) 및 잉크젯 타입 바이오 프린팅 (5)과 비교하여 디지털 광 처리(DLP) 바이오 프린팅 방법의 인쇄 속도와 인쇄 정확도가 더 높습니다 6,7. 압출 방식의 인쇄 모듈은 라인 단위인 반면 잉크젯 방식의 인쇄 모듈은 도트 단위이므로 DLP 바이오프린팅의 레이어별 인쇄 모듈보다 효율성이 떨어집니다. DLP 바이오프린팅에서 레이어를 경화하기 위해 재료의 전체 레이어에 대한 변조된 자외선(UV) 광선 노출과 이미지의 피처 크기는 DLP 프린팅의 정확도를 결정합니다. 이것은 DLP 기술을 매우 효율적으로 만듭니다 8,9,10. UV 광선의 과경화로 인해 경화 시간과 인쇄 크기 간의 정확한 관계는 고정밀 DLP 바이오프린팅에 중요합니다. 또한, 연속 DLP 인쇄는 인쇄 효율(11,12,13)을 크게 향상시킬 수 있는 DLP 인쇄 방법의 변형이다. 연속 DLP 인쇄의 경우 정확한 인쇄 조건이 가장 중요한 요소입니다.
경화 시간과 인쇄 크기 사이의 관계를 Jacobs 작업 곡선이라고하며 DLP 인쇄14,15,16에 널리 사용됩니다. 관계를 구하는 전통적인 방법은 재료를 일정 시간 동안 노출하고 경화 두께를 측정하여 노출 시간과 경화 두께에 대한 데이터 포인트를 얻는 것입니다. 이 작업을 5회 이상 반복하고 데이터 포인트를 피팅하면 Jacobs 작업 곡선을 얻을 수 있습니다. 그러나 이 방법에는 명백한 단점이 있습니다. 경화를 달성하기 위해 많은 재료를 소비해야하며 결과는 인쇄 조건에 크게 의존하며 DLP 바이오 프린팅에 사용되는 바이오 잉크는 비싸고 드물며 바이오 잉크의 성형 성은 일반적으로 좋지 않아 경화 두께를 부정확하게 측정 할 수 있습니다.
이 기사는 바이오 잉크의 물리적 특성에 따른 경화 관계를 얻는 새로운 방법을 제공합니다. 이 이론을 사용하면 연속 DLP 인쇄를 최적화할 수 있습니다. 이 방법은 경화 관계를 보다 빠르고 정확하게 얻는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 연속 DLP 경화를 더 잘 측정할 수 있습니다.
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Protocol
1. 이론적 준비
- 액체 흡광도(Al), 고체 흡광도(As) 및 임계 시간(tT)의 세 가지 매개변수를 정의합니다(17).
- 방정식 1에 따라 이 세 개의 매개변수(17 )를 사용하여 전통적인 Jacobs 작업 곡선을 다시 작성하십시오.
(식 1)
여기서,tH 는 하나의 단일층의 경화 시간이고, H는 하나의 단일층의 높이이다.
(식 1)2. 파라미터 획득
- 온도 조절을 위한 요소가 장착된 레오미터를 사용하여 바이오잉크의 임계 시간을 측정합니다.
- 365nm 광원을 사용하여 레오미터의 테스트 플랫폼을 노출시키고 광도를 특정 값으로 만듭니다.
- 레오미터가 300초 동안 Time-Moduli 데이터를 가져오도록 설정하고, 레오미터 소프트웨어의 시간 설정 옵션을 통해 0.3초마다 각 데이터 포인트를 가져옵니다. 레오미터의 Start Test(테스트 시작) 버튼을 클릭하여 테스트를 시작함과 동시에 광원의 Start( 시작) 버튼을 클릭합니다.
- 노출 시작부터 계산하여 저장 모듈러스 데이터가 손실 모듈러스 데이터와 같을 때 해당 시간을 임계 시간으로 인식합니다. 수동으로 녹음합니다.
- 이전 작업도17과 같이 흡광도 시험 장비를 구축한다. 두 개의 상부 및 하부 유리 슬라이드를 사용하여 링 모양의 인쇄 구조(내경 5mm, 외경 10mm)를 두께 500μm로 고정하여 링의 내부 원이 챔버를 형성하도록 합니다. 광도 측정기의 테스트 영역에 챔버를 놓고 광원을 설정하여 챔버 영역을 노출시킵니다.
참고: 그림 1 은 광유변학 테스트 결과 및 데이터 처리 결과와 흡광도 테스트 장비의 개략도를 보여줍니다.- 시험실이 시험장비의 광도계의 표시를 읽어 들여 흡광도 시험장비로부터 시험챔버가 채워지지 않았을 때의 입사광의 세기(Ii)를 측정한다.
- 테스트 챔버에 10μLof 바이오잉크를 채웁니다.
- 바이오잉크가 있는 테스트 챔버를 365nm의 자외선에 노출시킵니다. 흡광도 시험 장비로부터 광도(ILH)를 얻어 시험 장비의 광도 측정기의 디스플레이를 판독한다.
- 바이오잉크가 경화될 때의 광도(Ish)는 값이 더 이상 변하지 않을 때 시험장비의 광도계의 디스플레이를 읽어 흡광도 시험장비로부터 구한다. 이 값은 고체 흡광도, Ish입니다.
- 액체 흡광도와 고체 흡광도를 방정식 2와 3을 사용하여 계산합니다.
방정식 2
방정식 3
- 얻은 매개변수에 따라 Jacobs 작업 곡선을 얻습니다.
방정식 2
방정식 3
그림 1: 테스트 결과 및 장비. (A) 광유변학 테스트 결과 및 데이터 처리 결과의 개략도. (B) 흡광도 시험 장비. 이 그림은 Li et al.17의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 연속 DLP 인쇄 매개변수 설정
- DLP 소프트웨어를 사용하여 DLP 인쇄를 수행하고 다음과 같이 소프트웨어의 인쇄 매개 변수 세트를 수행하십시오.
- 소프트웨어의 매개변수 설정에서 첫 번째 단일 레이어의 노출 시간을 임계값 시간(tT)으로 설정합니다.
- 수학식 1에 따라 10μm 두께의 경화 물질의 노출 시간을 계산하고 임계 시간을 빼서 단일 층의 경화를 위한 실제 노출 시간을 구합니다.
- 소프트웨어의 매개변수 설정에서 인접 레이어 사이의 시간 간격을 0초로 설정합니다.
- 인쇄 소프트웨어에서 시작 버튼을 클릭하여 프린터를 시작합니다. 인쇄 프로세스가 끝나면 인쇄 소프트웨어에서 중지(Stop ) 버튼을 클릭하여 인쇄를 마칩니다.
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Representative Results
이 기사에서는 경화 매개변수를 얻는 새로운 방법을 보여주고 연속 DLP 인쇄를 달성하는 새로운 방법을 소개하여 작업 곡선을 결정할 때 이 방법의 효율성을 보여줍니다.
이 기사에서 소개한 방법으로 얻은 이론적 작업 곡선의 정확성을 확인하기 위해 DLP 인쇄에서 세 가지 다른 재료를 사용했습니다. 재료는 20%(v/v) 폴리에틸렌(글리콜) 디아크릴레이트(PEGDA), 0.5%(w/v) 리튬 페닐-2,4,6-트리메틸벤조일포스피네이트(LAP)이며 농도가 다른 UV 흡수제-0.1%(w/v), 0.15%(w/v) 및 0.2%(w/v) 브릴리언트 블루. 이론적인 작업 곡선이 있는 실제 경화 두께 데이터는 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2: 이론적 작업 곡선과 실제 인쇄 데이터 간의 비교 . (A) 0.1%(w/v) 흡수제. (B) 0.15%(w/v) 흡수제. (C) 0.2%(w/v) 흡수제. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이론적인 작업 곡선은 작업 곡선을 정확하게 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 재료 구성이 무엇이든 실제 인쇄 결과와 이론적 결과의 높은 일치는 방법의 효과를 입증합니다.
또한 기존 DLP 인쇄 방법의 총 인쇄 시간과 이 기사에서 개발한 연속 DLP 인쇄 방법을 비교했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 인쇄층 두께가 작을수록 연속 DLP 인쇄 효율이 향상되는 것이 더 분명합니다. 경화 효율은 10 배 이상 증가했습니다.
그림 3: 기존 DLP 인쇄와 연속 DLP 인쇄 간의 효율성 비교. 이 그림은 Li et al.11의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이론적 작업 곡선의 획득은 DLP 프로세스를 개선하고 DLP 기술의 발전을 촉진하는 데 사용할 수 있지만 이론적 작업 곡선을 획득하지 않으면 새로운 인쇄 방법을 정확하게 제어 할 수 없습니다. 또한, 인쇄층 두께가 작을수록 인쇄 품질이 좋아지므로 이 기사에서 제안한 연속 DLP 인쇄 방법은 고효율과 고충실도를 동시에 달성할 수 있습니다.
그림 4: 기존 DLP 인쇄와 연속 DLP 인쇄 간의 인쇄 결과 비교 . (A) 전통적인 방법을 사용하여 경화된 모델. (B) 연속 DLP 인쇄 방법을 사용하여 경화된 모델. 이 그림은 Li et al.11의 허가를 받아 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
반복적인 인쇄 실험이 필요한 기존 방법과 달리 이 방법은 재료의 관련 재료 특성만 테스트하면 됩니다. 해당 작업 곡선을 정확하게 얻기 위해 매우 적은 양의 재료만 필요합니다. 전통적인 방법은 재료를 낭비할 뿐만 아니라 다양한 노출 시간의 정확한 성형 두께를 결정하기 위해 측정 방법에 크게 의존합니다. 성형성이 좋지 않은 재료의 경우 인쇄 두께를 정확하게 구하기 어렵기 때문에 작업 곡선이 정확하지 않습니다.
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Discussion
이 프로토콜의 중요한 단계는 섹션 2에 설명되어 있습니다. 광유변학 시험에 사용된 광도와 실제 시험에서 인쇄 광도를 통일할 필요가 있습니다. 흡광도 시험 장비가 가장 중요한 부분입니다. 테스트 챔버의 모양은 광도 측정기의 감광성 영역과 동일해야 합니다. 전체 자외선 노출 과정에서 지속적으로 변하는 재료의 특성으로 인해 광도는 계속 변해야 합니다6. 수학식 1에서 액체 흡광도와 고체 흡광도의 정의에 따르면, 경화 과정이 단순화된다. 노광 초기의 데이터를 액체 흡광도로, 광도가 일정할 때의 데이터를 고체 흡광도로 취하는 것이 가장 중요한 작업이다.
이 방법은 경화 과정의 단순화라는 피할 수 없는 한계가 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이 방법의 이론적 모델링은 산소 억제(13)와 같은 인자를 고려하지 않기 때문에, 실제 작업 곡선과 이론적 작업 곡선 사이에 오차가 존재한다. 또한 외부 교란이 크면 이론적 작업 곡선을 연구에 정확하게 사용할 수 없습니다.
제이콥스 작업 곡선을 얻기 위한 전통적인 방법은 서로 다른 노출 시간15으로 여러 번 인쇄해야 한다. 작업 곡선은 노출 시간에 해당하는 인쇄 두께를 측정하고 데이터를 피팅하여 얻습니다. 이 방법은 많은 재료가 필요하며 매우 비효율적입니다. 재료의 인쇄 능력은 작업 곡선의 정확성을 제한하고 구조의 관찰 및 측정도 오류를 증폭시킵니다. 이 기사의 작업 곡선을 얻는 방법은 많은 재료를 절약 할 수 있으며 간단한 재료 특성 테스트를 통해서만 정확한 작업 곡선을 얻을 수 있으며 작업 곡선의 정확도는 재료의 성형 가능성과 무관하게 보장 될 수 있습니다. DLP 바이오프린팅 연구에서, 재료가 매우 부드러울 때(E < 10kPa) 잘 인쇄될 수 없으며, 이는 전통적인 방법에 의해 얻어진 프린팅 두께 데이터에 영향을 미치며, 따라서 작업 곡선(18)의 정확도에 영향을 미친다. 이 프로토콜에 언급된 방법은 연질 생체 재료의 DLP 인쇄 공정 매개변수를 결정하기 위한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 번호 12125205, 12072316, 12132014)과 중국 박사후 과학 재단(보조금 번호 2022M712754)의 지원에 감사드립니다.
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
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