Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Теоретическая подготовка
- Определите три параметра: поглощение жидкости (Al), поглощение твердого вещества (As) и пороговое время (tT)17.
- Перепишем традиционную рабочую кривую Джейкобса, используя эти три параметра17 в соответствии с уравнением 1:
(Уравнение 1)
Здесь t H — время отверждения одного слоя, аH — высота одного слоя.
(Уравнение 1)2. Сбор параметров
- Измерьте пороговое время биочернил с помощью реометра, оснащенного элементом для контроля температуры.
- Используйте источник света с длиной волны 365 нм, чтобы экспонировать испытательную платформу реометра и установить интенсивность света на определенном значении.
- 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.
- Считая с начала воздействия, когда данные модуля хранения равны данным модуля потерь, соответствующее время признается пороговым временем. Запись вручную.
- 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.- 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.
- Заполните испытательную камеру биочернилами объемом 10 мкл.
- 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.
- 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.
- Рассчитайте поглощение жидкости и поглощение твердого вещества, используя уравнения 2 и 3:
Уравнение 2
Уравнение 3
- Получите рабочую кривую Джейкобса в соответствии с полученными параметрами.
Уравнение 2
Уравнение 3
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
- Используйте программное обеспечение DLP для достижения DLP-печати и набор параметров печати в программном обеспечении следующим образом.
- Установите время экспозиции первого отдельного слоя в качестве порогового времени (tT) в настройках параметров программного обеспечения.
- 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.
- Установите временной интервал между соседними слоями равным 0 с в настройках параметров программы.
- Запустите принтер, нажав кнопку «Пуск » в программном обеспечении для печати. Когда процесс печати завершится, завершите печать, нажав кнопку «Стоп» в программном обеспечении для печати.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 лития (LAP) с различной концентрацией УФ-поглотителя - 0,1% (мас. / об.), 0,15% (мас. / об.) и 0,2% (мас. / об.) бриллиантового синего. Реальные данные о толщине отверждения с теоретическими рабочими кривыми показаны на рисунке 2.
Рисунок 2: Сравнение теоретической рабочей кривой с фактическими данными печати . (А) 0,1% (мас./об.) поглотитель. (B) 0,15% (мас./об.) поглотитель. (C) 0,2% (мас./об.) поглотитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Теоретическая рабочая кривая может быть использована для точного расчета рабочей кривой. Независимо от состава материала, высокое совпадение фактических результатов печати и теоретических результатов доказывает эффективность метода.
Мы также сравнили общее время печати традиционного метода DLP-печати с методом непрерывной DLP-печати, разработанным в этой статье. Как показано на рисунке 3, чем меньше толщина печатного слоя, тем очевиднее повышение эффективности непрерывной DLP-печати. Эффективность отверждения увеличилась более чем в десять раз.
Рисунок 3: Сравнение эффективности традиционной DLP-печати и непрерывной DLP-печати. Эта цифра была изменена с разрешения Li et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Получение теоретической рабочей кривой может быть использовано для улучшения процесса DLP и содействия прогрессу технологии DLP, но без приобретения теоретической рабочей кривой невозможно точно контролировать новый метод печати. Кроме того, чем меньше толщина печатного слоя, тем лучше качество печати, а это означает, что метод непрерывной DLP-печати, предложенный в этой статье, может одновременно достичь высокой эффективности и высокой точности.
Рисунок 4: Сравнение результатов печати между традиционной DLP-печатью и непрерывной DLP-печатью . (A) Отвержденная модель с использованием традиционного метода. (B) Отвержденная модель с использованием нашего метода непрерывной DLP-печати. Эта цифра была изменена с разрешения Li et al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В отличие от традиционного метода, который требует повторных экспериментов с печатью, этот метод требует только проверки соответствующих свойств материала. Для точного получения соответствующей рабочей кривой требуется лишь очень небольшое количество материала. Традиционный метод не только тратит материал, но и в значительной степени полагается на методы измерения для определения точной толщины формования при различном времени выдержки. Для материалов с плохой формуемостью трудно точно получить толщину печати, поэтому рабочая кривая неточна.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 продолжать меняться6. В соответствии с определением поглощения жидкости и поглощения твердого вещества в уравнении 1 процесс отверждения упрощается. Получение данных в начале экспозиции как поглощение жидкости и данных, когда интенсивность света постоянна, как поглощение твердого вещества, является наиболее важной операцией.
Стоит отметить, что этот метод имеет неизбежное ограничение, которое заключается в упрощении процесса отверждения. Поскольку теоретическое моделирование этого метода не учитывает такие факторы, как ингибированиекислорода 13, существуют ошибки между фактической рабочей кривой и теоретической рабочей кривой. Кроме того, если внешнее возмущение велико, теоретическая рабочая кривая не может быть точно использована для исследования.
Традиционный метод получения рабочей кривой Джейкобса требует многократной печати с разным временем выдержки15. Рабочая кривая получается путем измерения толщины печати, соответствующей времени выдержки, и подгонки данных. Этот метод требует много материала и очень неэффективен. Печатная способность материала ограничивает точность рабочей кривой, а наблюдение и измерение структуры также усиливают погрешность. Описанный в этой статье метод получения рабочей кривой может сэкономить много материалов, точные рабочие кривые могут быть получены только с помощью простых тестов свойств материала, а точность рабочей кривой может быть гарантирована независимо от формуемости материала. В исследованиях биопечати DLP, когда материал очень мягкий (E < 10 кПа), он не может быть хорошо напечатан, и это повлияет на данные о толщине печати, полученные традиционным методом, тем самым влияя на точность рабочей кривой18. Метод, упомянутый в этом протоколе, может обеспечить решение для определения параметров процесса DLP-печати мягких биоматериалов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам раскрывать нечего.
Acknowledgments
Авторы выражают благодарность за поддержку, оказанную Национальным фондом естественных наук Китая (гранты No 12125205, 12072316, 12132014) и Китайским фондом постдокторских наук (грант 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).
