Summary
Denna studie använder temperatur och materialsammansättning för att kontrollera sträckspänningsegenskaperna hos sträckspänningsvätskor. Bläckets solidliknande tillstånd kan skydda utskriftsstrukturen, och det vätskeliknande tillståndet kan kontinuerligt fylla utskriftspositionen, vilket realiserar digital ljusbehandling 3D-utskrift av extremt mjuka biobläck.
Abstract
Exakt trycktillverkning av biobläck är en förutsättning för vävnadsteknik; Jacobs arbetskurva är verktyget för att bestämma de exakta utskriftsparametrarna för digital ljusbehandling (DLP). Förvärv av arbetskurvor slösar dock bort material och kräver hög formbarhet av material som inte är lämpliga för biomaterial. Dessutom är minskningen av cellaktivitet på grund av multipla exponeringar och misslyckandet med strukturell bildning på grund av upprepad positionering båda oundvikliga problem i konventionell DLP-bioprinting. Detta arbete introducerar en ny metod för att erhålla arbetskurvan och förbättringsprocessen för kontinuerlig DLP-utskriftsteknik baserad på en sådan arbetskurva. Denna metod för att erhålla arbetskurvan är baserad på biomaterialens absorbans och fotoreologiska egenskaper, vilka inte beror på biomaterialens formbarhet. Den kontinuerliga DLP-utskriftsprocessen, erhållen genom att förbättra tryckprocessen genom att analysera arbetskurvan, ökar utskriftseffektiviteten mer än tiofaldigt och förbättrar cellernas aktivitet och funktionalitet, vilket är fördelaktigt för utvecklingen av vävnadsteknik.
Introduction
Vävnadsteknik1 är viktig inom organreparation. På grund av bristen på organdonation kan vissa sjukdomar, såsom leversvikt och njursvikt, inte botas väl, och många patienter får inte behandling i tid2. Organoider med organens nödvändiga funktion kan lösa problemet som orsakas av bristen på organdonation. Konstruktionen av organoider beror på framsteg och utveckling av bioprintningsteknik3.
Jämfört med extruderingstyp bioprinting4 och bläckstråle-typ bioprinting 5 är utskriftshastigheten och trycknoggrannheten förbioprintningsmetoden Digital Light Processing (DLP) högre 6,7. Utskriftsmodulen för extruderingsmetoden är rad för rad, medan utskriftsmodulen för bläckstrålemetoden är punkt-för-punkt, vilket är mindre effektivt än lager-för-lager-utskriftsmodulen för DLP-bioprinting. Den modulerade exponeringen för ultraviolett (UV) ljus för ett helt lager av material för att härda ett lager i DLP-bioprinting och bildens funktionsstorlek bestämmer noggrannheten för DLP-utskrift. Detta gör DLP-tekniken mycket effektiv 8,9,10. På grund av överhärdning av UV-ljuset är det exakta förhållandet mellan härdningstiden och utskriftsstorleken viktigt för DLP-bioprinting med hög noggrannhet. Dessutom är kontinuerlig DLP-utskrift en modifiering av DLP-utskriftsmetoden som avsevärt kan förbättra utskriftseffektiviteten11,12,13. För kontinuerlig DLP-utskrift är exakta utskriftsförhållanden de viktigaste faktorerna.
Förhållandet mellan härdningstiden och utskriftsstorleken kallas Jacobs arbetskurva, som ofta används vid DLP-utskrift14,15,16. Den traditionella metoden för att erhålla förhållandet är att exponera materialet under en viss tid och mäta härdningstjockleken för att få en datapunkt om exponeringstiden och härdningstjockleken. Genom att upprepa denna operation minst fem gånger och anpassa datapunkterna får Jacobs arbetskurva. Denna metod har emellertid uppenbara nackdelar; det måste konsumera mycket material för att uppnå härdningen, resultaten är mycket beroende av tryckförhållandena, biobläcken som används i DLP-bioprinting är dyra och sällsynta, och formbarheten hos biobläcken är vanligtvis inte bra, vilket kan leda till felaktiga mätningar av härdningstjockleken.
Denna artikel ger en ny metod för att erhålla härdningsförhållandet enligt biobläckets fysikaliska egenskaper. Med hjälp av denna teori kan man optimera kontinuerlig DLP-utskrift. Denna metod kan användas för att erhålla härdningsförhållandet snabbare och mer exakt; den kontinuerliga DLP-härdningen kan därför bestämmas bättre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Teoretisk förberedelse
- Definiera tre parametrar: vätskeabsorbans (Al), fast absorbans (As) och tröskeltid (tT)17.
- Skriv om den traditionella Jacobs arbetskurvan med hjälp av dessa tre parametrar17 enligt ekvation 1:
(Ekvation 1)
Här är t H härdningstiden för ett enda lager, ochH är höjden för ett enda lager.
(Ekvation 1)2. Förvärv av parametrar
- Mät tröskeltiden för biobläcket med hjälp av en reometer utrustad med ett element för temperaturkontroll.
- Använd en 365 nm ljuskälla för att exponera reometerns testplattform och göra ljusintensiteten till ett visst värde.
- Ställ in reometern för att hämta tidsmoduldata under en period av 300 s och ta varje datapunkt var 0,3: e sekund genom tidsinställningsalternativen i reometerprogramvaran. Klicka på knappen Starta test på reometern för att starta testet och klicka samtidigt på ljuskällans startknapp .
- Räknat från början av exponeringen, när lagringsmoduldata är lika med förlustmoduldata, erkänns motsvarande tid som tröskeltiden. Spela in manuellt.
- Bygg absorbanstestutrustningen som visas i föregående arbete17. Använd två övre och nedre glasskivor för att klämma fast den ringformade tryckta strukturen (5 mm innerdiameter, 10 mm ytterdiameter) med en tjocklek på 500 μm så att ringens inre cirkel bildar en kammare. Placera kammaren på ljusintensitetsmätarens testområde och ställ in ljuskällan så att kammarens yta exponeras.
Anmärkning: Figur 1 visar det schematiska diagrammet över fotoreologiska testresultat och databehandlingsresultat samt utrustning för absorbansprovning.- Mät den infallande ljusintensiteten (Ii) när provningskammaren inte är fylld med material från absorbansprovningsutrustningen genom att läsa av displayen på provningsutrustningens ljusintensitetsmätare.
- Fyll testkammaren med 10 μLof biobläck.
- Exponera testkammaren med biobläck för UV-ljus vid 365 nm. Hämta ljusintensiteten (Ilh) från absorbansprovningsutrustningen genom att läsa displayen på provningsutrustningens ljusintensitetsmätare.
- Erhåll ljusintensiteten när biobläcket härdas (Ish) från absorbanstestutrustningen genom att läsa displayen på testutrustningens ljusintensitetsmätare när värdet inte längre ändras. Detta värde är den fasta absorbansen, jagsh.
- Beräkna vätskeabsorbansen och den fasta absorbansen med ekvationerna 2 och 3:
Ekvation 2
Ekvation 3
- Erhåll Jacobs arbetskurva enligt de erhållna parametrarna.
Ekvation 2
Ekvation 3
Figur 1: Provningsresultat och utrustning. a) Schematiskt diagram över fotoreologiska testresultat och databehandlingsresultat. b) Utrustning för absorbansprovning. Denna siffra har ändrats med tillstånd från Li et al.17. Klicka här för att se en större version av denna figur.
3. Parameterinställningar för kontinuerlig DLP-utskrift
- Använd DLP-programvara för att uppnå DLP-utskrift och uppsättningen utskriftsparametrar i programvaran enligt följande.
- Ställ in exponeringstiden för det första enskilda lagret som tröskeltid (tT) i programvarans parameterinställningar.
- Beräkna exponeringstiden för härdning av 10 μmtjocka material enligt ekvation 1 och subtrahera tröskeltiden för att erhålla den verkliga exponeringstiden för härdning av ett enda lager.
- Ställ in tidsintervallet mellan intilliggande lager till 0 s i programvarans parameterinställningar.
- Starta skrivaren genom att klicka på Start-knappen i utskriftsprogrammet. När utskriften är slut avslutar du utskriften genom att klicka på knappen Stopp (Stop ) i utskriftsprogrammet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den här artikeln visar en ny metod för att få härdningsparametrar och introducerar ett nytt sätt att uppnå kontinuerlig DLP-utskrift, vilket visar effektiviteten hos denna metod för att bestämma arbetskurvan.
Vi använde tre olika material i DLP-utskrift för att verifiera noggrannheten i den teoretiska arbetskurvan som erhållits med metoden som introduceras i den här artikeln. Materialen är 20% (v/v) polyetylen (glykol) diakrylat (PEGDA), 0,5% (w/v) litiumfenyl-2,4,6-trimetylbensoylfosfinat (LAP) med olika koncentrationer av UV-absorberare-0,1% (w/v), 0,15% (w/v) och 0,2% (w/v) briljantblått. De verkliga härdningstjockleksdata med de teoretiska arbetskurvorna visas i figur 2.
Figur 2: Jämförelse mellan den teoretiska arbetskurvan och faktiska tryckdata . (A) 0,1 % (w/v) absorbator. (B) 0,15% (w/v) absorberare. (C) 0,2% (w/v) absorberare. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Den teoretiska arbetskurvan kan användas för att beräkna arbetskurvan exakt. Oavsett vad materialkompositionen är, visar det höga sammanfallet av de faktiska tryckresultaten och de teoretiska resultaten metodens effektivitet.
Vi jämförde också den totala utskriftstiden för den traditionella DLP-utskriftsmetoden med den kontinuerliga DLP-utskriftsmetoden som utvecklats i den här artikeln. Som visas i figur 3, ju mindre utskriftsskiktets tjocklek är, desto tydligare blir förbättringen av kontinuerlig DLP-utskriftseffektivitet. Härdningseffektiviteten ökade mer än tiofaldigt.
Bild 3: Effektivitetsjämförelse mellan traditionell DLP-utskrift och kontinuerlig DLP-utskrift. Denna siffra har ändrats med tillstånd från Li et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Förvärvet av den teoretiska arbetskurvan kan användas för att förbättra DLP-processen och främja DLP-teknikens framsteg, men utan förvärvet av den teoretiska arbetskurvan är det omöjligt att exakt kontrollera den nya tryckmetoden. Dessutom, ju mindre tryckskiktets tjocklek, desto bättre utskriftskvalitet, vilket innebär att den kontinuerliga DLP-utskriftsmetoden som föreslås i den här artikeln samtidigt kan uppnå hög effektivitet och hög trohet.
Bild 4: Jämförelse av utskriftsresultat mellan traditionell DLP-utskrift och kontinuerlig DLP-utskrift . (A) Den härdade modellen med användning av den traditionella metoden. (B) Den härdade modellen med vår kontinuerliga DLP-utskriftsmetod. Denna siffra har ändrats med tillstånd från Li et al.11. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Till skillnad från den traditionella metoden som kräver upprepade tryckexperiment, behöver denna metod bara testa materialets relevanta materialegenskaper. Endast en mycket liten mängd material behövs för att exakt erhålla motsvarande arbetskurva. Den traditionella metoden slösar inte bara bort material utan förlitar sig också starkt på mätmetoder för att bestämma den exakta gjuttjockleken för olika exponeringstider. För material med dålig formbarhet är det svårt att exakt få trycktjockleken, så arbetskurvan är felaktig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiska stegen i detta protokoll beskrivs i avsnitt 2. Det är nödvändigt att förena den ljusintensitet som används i fotoreologitestet och tryckljusintensiteten i de faktiska testerna. Absorbanstestutrustningen är den viktigaste delen. Testkammarens form bör vara densamma som ljusintensitetsmätarens ljuskänsliga area. På grund av egenskaperna hos materialen som kontinuerligt förändras under hela UV-ljusexponeringsprocessen måste ljusintensiteten fortsätta att förändras6. Enligt definitionen av vätskeabsorbans och fast absorbans i ekvation 1 förenklas härdningsprocessen. Ta data i början av exponeringen som vätskeabsorbans och data när ljusintensiteten är konstant eftersom den fasta absorbansen är den mest kritiska operationen.
Det är värt att notera att denna metod har en oundviklig begränsning, vilket är förenklingen av härdningsprocessen. Eftersom den teoretiska modelleringen av denna metod inte tar hänsyn till faktorer som syrehämning13, finns det fel mellan den faktiska arbetskurvan och den teoretiska arbetskurvan. Vidare, om den yttre störningen är stor, kan den teoretiska arbetskurvan inte användas exakt för forskning.
Den traditionella metoden för att erhålla Jacobs arbetskurva kräver flera utskrifter med olika exponeringstider15. Arbetskurvan erhålls genom att mäta trycktjockleken som motsvarar exponeringstiden och anpassa data. Denna metod kräver mycket material och är mycket ineffektiv. Materialets tryckförmåga begränsar arbetskurvans noggrannhet, och observationen och mätningen av strukturen förstärker också felet. Metoden i denna artikel för att erhålla arbetskurvan kan spara massor av material, exakta arbetskurvor kan endast erhållas genom enkla materialegenskapstester och arbetskurvans noggrannhet kan garanteras oberoende av materialets formbarhet. I DLP-bioprintningsforskningen, när materialet är mycket mjukt (E < 10 kPa) kan det inte skrivas ut bra, och detta kommer att påverka trycktjockleksdata som erhållits med den traditionella metoden, vilket påverkar noggrannheten i arbetskurvan18. Metoden som nämns i detta protokoll kan ge en lösning för bestämning av DLP-tryckprocessparametrarna för mjuka biomaterial.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt stödet från National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) och 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).
