Sürekli Dijital Işık İşleme Tabanlı Baskı için Sıvı Işığa Duyarlı Biyomürekkep Özelliklerinin Kantitatif Karakterizasyonu
Summary
Bu çalışma, akma gerilimi sıvılarının akma gerilimi özelliklerini kontrol etmek için sıcaklık ve malzeme bileşimini kullanmaktadır. Mürekkebin katı benzeri durumu, baskı yapısını koruyabilir ve sıvı benzeri durum, son derece yumuşak biyomürekkeplerin dijital ışık işleme 3D baskısını gerçekleştirerek baskı pozisyonunu sürekli olarak doldurabilir.
Abstract
Biyomürekkeplerin hassas baskı üretimi, doku mühendisliği için bir ön koşuldur; Jacobs çalışma eğrisi, dijital ışık işlemenin (DLP) hassas baskı parametrelerini belirlemek için kullanılan bir araçtır. Bununla birlikte, çalışma eğrilerinin elde edilmesi, malzemeleri boşa harcar ve biyomalzemeler için uygun olmayan malzemelerin yüksek şekillendirilebilirliğini gerektirir. Ek olarak, çoklu maruziyetler nedeniyle hücre aktivitesinin azalması ve tekrarlanan konumlandırma nedeniyle yapısal oluşumun başarısızlığı, geleneksel DLP biyobaskısında kaçınılmaz sorunlardır. Bu çalışma, çalışma eğrisini elde etmek için yeni bir yöntem ve böyle bir çalışma eğrisine dayanan sürekli DLP baskı teknolojisinin iyileştirme sürecini tanıtmaktadır. Çalışma eğrisini elde etmenin bu yöntemi, biyomalzemelerin şekillendirilebilirliğine bağlı olmayan biyomalzemelerin absorbans ve fotoreolojik özelliklerine dayanmaktadır. Çalışma eğrisini analiz ederek baskı sürecinin iyileştirilmesinden elde edilen sürekli DLP baskı işlemi, baskı verimliliğini on kattan fazla arttırır ve doku mühendisliğinin gelişimine faydalı olan hücrelerin aktivitesini ve işlevselliğini büyük ölçüde geliştirir.
Introduction
Doku mühendisliği1 organ onarımı alanında önemlidir. Organ bağışı yapılmaması nedeniyle karaciğer yetmezliği ve böbrek yetmezliği gibi bazı hastalıklar iyi tedavi edilememekte ve birçok hasta zamanında tedavi görememektedir2. Organların gerekli fonksiyonuna sahip organoidler, organ bağışı eksikliğinden kaynaklanan sorunu çözebilir. Organoidlerin yapımı, biyobaskı teknolojisinin ilerlemesine ve gelişmesine bağlıdır3.
Ekstrüzyon tipi biyobaskı4 ve mürekkep püskürtmeli tip biyobaskı5 ile karşılaştırıldığında, dijital ışık işleme (DLP) biyobaskı yönteminin baskı hızı ve baskı doğruluğu daha yüksektir 6,7. Ekstrüzyon tipi yöntemin yazdırma modülü satır satır, mürekkep püskürtmeli tip yöntemin yazdırma modülü ise DLP biyobaskının katman katman yazdırma modülünden daha az verimli olan nokta noktadır. DLP biyobaskıda bir katmanı iyileştirmek için bütün bir malzeme tabakasına modüle edilmiş ultraviyole (UV) ışığa maruz kalma ve görüntünün özellik boyutu, DLP baskının doğruluğunu belirler. Bu, DLP teknolojisini çok verimli hale getirir 8,9,10. UV ışığının aşırı kürlenmesi nedeniyle, kürlenme süresi ile baskı boyutu arasındaki hassas ilişki, yüksek hassasiyetli DLP biyo-baskı için önemlidir. Ayrıca, sürekli DLP baskı, baskı verimliliğini büyük ölçüde artırabilen DLP baskı yönteminin bir modifikasyonudur11,12,13. Sürekli DLP baskı için, hassas baskı koşulları en önemli faktörlerdir.
Kürlenme süresi ile baskı boyutu arasındaki ilişkiye, DLP baskı14,15,16’da yaygın olarak kullanılan Jacobs çalışma eğrisi denir. İlişkiyi elde etmenin geleneksel yöntemi, malzemeyi belirli bir süre maruz bırakmak ve maruz kalma süresi ve kürlenme kalınlığı hakkında bir veri noktası elde etmek için kürlenme kalınlığını ölçmektir. Bu işlemi en az beş kez tekrarlamak ve veri noktalarını sığdırmak, Jacobs çalışma eğrisini elde eder. Bununla birlikte, bu yöntemin belirgin dezavantajları vardır; kürlenmeyi başarmak için çok fazla malzeme tüketmesi gerekir, sonuçlar baskı koşullarına büyük ölçüde bağlıdır, DLP biyobaskısında kullanılan biyomürekkepler pahalı ve nadirdir ve biyomürekkeplerin şekillendirilebilirliği genellikle iyi değildir, bu da kürlenme kalınlığının yanlış ölçümlerine yol açabilir.
Bu makalede, biyomürekkebin fiziksel özelliklerine göre kürleme ilişkisini elde etmek için yeni bir yöntem sunulmaktadır. Bu teoriyi kullanmak, sürekli DLP baskısını optimize edebilir. Bu yöntem, kürlenme ilişkisini daha hızlı ve doğru bir şekilde elde etmek için kullanılabilir; Bu nedenle sürekli DLP kürlemesi daha iyi belirlenebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolün kritik adımları bölüm 2’de açıklanmıştır. Fotoreoloji testinde kullanılan ışık yoğunluğu ile baskı ışık yoğunluğunu gerçek testlerde birleştirmek gerekir. Absorbans test ekipmanı en önemli parçadır. Test odasının şekli, ışık yoğunluğu ölçerin ışığa duyarlı alanıyla aynı olmalıdır. Tüm UV ışığına maruz kalma işlemi boyunca sürekli değişen malzemelerin özellikleri nedeniyle, ışık yoğunluğunun değişmeye devam etmesi gerekir6</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Grant No. 12125205, 12072316, 12132014) ve Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (Hibe No. 2022M712754) tarafından sağlanan desteği minnetle kabul etmektedir.
Materials
| 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. The bioprinting roadmap. Biofabrication. 12 (2), 022002 (2020).
- 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).
