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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Teorik hazırlık
- Üç parametre tanımlayın: sıvı absorbansı (Al), katı absorbans (As) ve eşik süresi (tT)17.
- Denklem 1'e göre bu üç parametre17'yi kullanarak geleneksel Jacobs çalışma eğrisini yeniden yazın:
(Denklem 1)
Burada, t H tek bir katmanın kürlenme süresidir veH tek bir katmanın yüksekliğidir.
(Denklem 1)2. Parametre alımı
- Sıcaklık kontrolü için bir elemanla donatılmış bir reometre kullanarak biyomürekkebin eşik süresini ölçün.
- Reometrenin test platformunu ortaya çıkarmak ve ışık yoğunluğunu belirli bir değerde yapmak için 365 nm'lik bir ışık kaynağı kullanın.
- Reometreyi Time-Moduli verilerini 300 saniyelik bir süre boyunca alacak şekilde ayarlayın ve reometre yazılımındaki Zaman Ayarları seçeneklerinden her veri noktasını her 0,3 saniyede bir alın. Testi başlatmak için reometrenin Testi Başlat düğmesine tıklayın ve aynı zamanda ışık kaynağının Başlat Düğmesine tıklayın.
- Maruz kalmanın başlangıcından itibaren sayıldığında, depolama modülü verileri kayıp modülü verilerine eşit olduğunda, karşılık gelen süre eşik süresi olarak kabul edilir. Manuel olarak kaydedin.
- Absorbans test ekipmanını önceki çalışmada gösterildiği gibi inşa edin17. Halka şeklindeki baskılı yapıyı (5 mm iç çap, 10 mm dış çap) 500μm kalınlığında sıkıştırmak için iki üst ve alt cam slayt kullanın, böylece halkanın iç çemberi bir oda oluşturur. Odayı ışık yoğunluğu ölçerin test alanına yerleştirin ve ışık kaynağını oda alanını açığa çıkaracak şekilde ayarlayın.
NOT: Şekil 1 , fotoreolojik test sonuçlarının ve veri işleme sonuçlarının şematik diyagramını ve absorbans test ekipmanını göstermektedir.- Test odası, absorbans test ekipmanından malzeme ile doldurulmadığında, test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyarak olay ışık yoğunluğunu (Ii) ölçün.
- Test odasını 10 μLof biyomürekkep ile doldurun.
- Biyomürekkepli test odasını 365 nm'de UV ışığına maruz bırakın. Test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyarak absorbans test cihazından ışık yoğunluğunu (Ilh) elde edin.
- Biyomürekkep kürlendiğinde ışık yoğunluğunu absorbans test ekipmanından (Ish) elde edin, değer artık değişmediğinde test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyun. Bu değer katı absorbanstır, sh.
- Denklem 2 ve 3'ü kullanarak sıvı absorbansını ve katı absorbansını hesaplayın:
Denklem 2
Denklem 3
- Elde edilen parametrelere göre Jacobs çalışma eğrisini elde edin.
Denklem 2
Denklem 3
Şekil 1: Test sonuçları ve ekipman. (A) Fotoreolojik test sonuçlarının ve veri işleme sonuçlarının şematik diyagramı. (B) Absorbans test cihazları. Bu rakam Li ve ark.17'nin izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
3. Sürekli DLP yazdırma parametresi ayarları
- DLP yazdırmayı ve yazılımdaki yazdırma parametreleri kümesini aşağıdaki gibi elde etmek için DLP yazılımını kullanın.
- İlk tek katmanın pozlama süresini, yazılımın parametre ayarlarında eşik süresi (tT) olarak ayarlayın.
- Denklem 1'e göre 10 μm kalınlığındaki malzemelerin kürlenmesinin maruz kalma süresini hesaplayın ve tek bir katmanın kürlenmesi için gerçek maruz kalma süresini elde etmek için eşik süresini çıkarın.
- Bitişik katmanlar arasındaki zaman aralığını yazılımın parametre ayarlarında 0 s'ye ayarlayın.
- Yazdırma yazılımındaki Başlat düğmesini tıklatarak yazıcıyı başlatın. Yazdırma işlemi sona erdiğinde, yazdırma yazılımındaki Durdur (Stop ) düğmesini tıklatarak yazdırmayı bitirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu makalede, kürleme parametrelerini elde etmek için yeni bir yöntem gösterilmekte ve sürekli DLP baskısı elde etmenin yeni bir yolu tanıtılmakta ve bu yöntemin çalışma eğrisinin belirlenmesindeki etkinliği gösterilmektedir.
Bu makalede tanıtılan yöntemle elde edilen teorik çalışma eğrisinin doğruluğunu doğrulamak için DLP baskıda üç farklı malzeme kullandık. Malzemeler% 20 (v / v) polietilen (glikol) diyakrilat (PEGDA),% 0.5 (w / v) lityum fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinat (LAP) olup, farklı konsantrasyonlarda UV emici-% 0.1 (w / v),% 0.15 (w / v) ve% 0.2 (w / v) Parlak mavidir. Teorik çalışma eğrileri ile gerçek kürlenme kalınlığı verileri Şekil 2'de gösterilmiştir.
Şekil 2: Teorik çalışma eğrisi ile gerçek yazdırma verileri arasındaki karşılaştırma . (A) %0,1 (w/v) emici. (B) %0,15 (w/v) emici. (C) %0,2 (w/v) emici. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Teorik çalışma eğrisi, çalışma eğrisini doğru bir şekilde hesaplamak için kullanılabilir. Malzeme bileşimi ne olursa olsun, gerçek baskı sonuçlarının ve teorik sonuçların yüksek tesadüfü, yöntemin etkinliğini kanıtlamaktadır.
Geleneksel DLP baskı yönteminin toplam baskı süresini de bu makalede geliştirilen sürekli DLP baskı yöntemi ile karşılaştırdık. Şekil 3'te gösterildiği gibi, baskı katmanı kalınlığı ne kadar küçük olursa, sürekli DLP baskı verimliliğinin iyileştirilmesi o kadar belirgin olur. Kürleme verimliliği on kattan fazla arttı.
Şekil 3: Geleneksel DLP baskı ile sürekli DLP baskı arasındaki verimlilik karşılaştırması. Bu rakam Li ve ark.11'in izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Teorik çalışma eğrisinin elde edilmesi, DLP sürecini iyileştirmek ve DLP teknolojisinin ilerlemesini teşvik etmek için kullanılabilir, ancak teorik çalışma eğrisinin edinilmesi olmadan, yeni baskı yöntemini doğru bir şekilde kontrol etmek imkansızdır. Ayrıca, baskı katmanı kalınlığı ne kadar küçük olursa, baskı kalitesi o kadar iyi olur, bu da bu makalede önerilen sürekli DLP baskı yönteminin aynı anda yüksek verimlilik ve yüksek doğruluk elde edebileceği anlamına gelir.
Şekil 4: Geleneksel DLP baskı ile sürekli DLP baskı arasındaki baskı sonuçlarının karşılaştırılması . (A) Geleneksel yöntem kullanılarak kürlenmiş model. (B) Sürekli DLP baskı yöntemimizi kullanarak kürlenmiş model. Bu rakam Li ve ark.11'in izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Tekrarlanan baskı deneyleri gerektiren geleneksel yöntemin aksine, bu yöntemin yalnızca malzemenin ilgili malzeme özelliklerini test etmesi gerekir. Karşılık gelen çalışma eğrisini doğru bir şekilde elde etmek için sadece çok az miktarda malzemeye ihtiyaç vardır. Geleneksel yöntem sadece malzemeyi boşa harcamakla kalmaz, aynı zamanda farklı maruz kalma sürelerinin doğru kalıplama kalınlığını belirlemek için ölçüm yöntemlerine de büyük ölçüde dayanır. Şekillendirilebilirliği zayıf malzemeler için, baskı kalınlığını doğru bir şekilde elde etmek zordur, bu nedenle çalışma eğrisi yanlıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. Denklem 1'deki sıvı absorbans ve katı absorbans tanımına göre, kürleme işlemi basitleştirilmiştir. Maruz kalmanın başlangıcındaki verilerin sıvı absorbansı olarak alınması ve ışık yoğunluğu sabit olduğunda katı absorbansı olarak verilerin alınması en kritik işlemdir.
Bu yöntemin, kürleme sürecinin basitleştirilmesi olan kaçınılmaz bir sınırlamaya sahip olduğunu belirtmek gerekir. Bu yöntemin teorik modellemesi oksijen inhibisyonu13 gibi faktörleri dikkate almadığından, gerçek çalışma eğrisi ile teorik çalışma eğrisi arasında hatalar vardır. Ayrıca, dış rahatsızlık büyükse, teorik çalışma eğrisi araştırma için doğru bir şekilde kullanılamaz.
Jacobs çalışma eğrisini elde etmek için geleneksel yöntem, farklı pozlama sürelerine sahip çoklu baskı gerektirir15. Çalışma eğrisi, pozlama süresine karşılık gelen baskı kalınlığının ölçülmesi ve verilerin sığdırılmasıyla elde edilir. Bu yöntem çok fazla malzeme gerektirir ve çok verimsizdir. Malzemenin baskı kabiliyeti, çalışma eğrisinin doğruluğunu kısıtlar ve yapının gözlemlenmesi ve ölçülmesi de hatayı arttırır. Çalışma eğrisini elde etmek için bu makaledeki yöntem çok sayıda malzeme tasarrufu sağlayabilir, doğru çalışma eğrileri yalnızca basit malzeme özellik testleri ile elde edilebilir ve çalışma eğrisinin doğruluğu malzemenin şekillendirilebilirliğinden bağımsız olarak garanti edilebilir. DLP biyobaskı araştırmasında, malzeme çok yumuşak olduğunda (E < 10 kPa) iyi basılamaz ve bu, geleneksel yöntemle elde edilen baskı kalınlığı verilerini etkiler, böylece çalışma eğrisinin doğruluğunu etkiler18. Bu protokolde bahsedilen yöntem, yumuşak biyomalzemelerin DLP baskı işlemi parametrelerinin belirlenmesi için bir çözüm sağlayabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
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
| 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).
