Yöntem makalesi

Sürekli Dijital Işık İşleme Tabanlı Baskı için Sıvı Işığa Duyarlı Biyomürekkep Özelliklerinin Kantitatif Karakterizasyonu

DOI:

10.3791/65277

⸱

14 Nisan 2023

 ,  ,  , 
1School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University, 2Department of Engineering Mechanics, Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province, Zhejiang University, 3The State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, 4Institute of Artificial Intelligence, School of Future Technology, Shanghai University

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Teorik hazırlık

  1. Üç parametre tanımlayın: sıvı absorbansı (Al), katı absorbans (As) ve eşik süresi (tT)17.
  2. Denklem 1'e göre bu üç parametre17'yi kullanarak geleneksel Jacobs çalışma eğrisini yeniden yazın:
    figure-protocol-1(Denklem 1)
    Burada, t H tek bir katmanın kürlenme süresidir veH tek bir katmanın yüksekliğidir.

2. Parametre alımı

  1. Sıcaklık kontrolü için bir elemanla donatılmış bir reometre kullanarak biyomürekkebin eşik süresini ölçün.
    1. Reometrenin test platformunu ortaya çıkarmak ve ışık yoğunluğunu belirli bir değerde yapmak için 365 nm'lik bir ışık kaynağı kullanın.
    2. 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.
    3. Maruz kalmanın başlangıcından itibaren sayıldığında, depolama modülü verileri kayıp modülü verilerine eşit olduğunda, karşılık gelen süre eşik süresi olarak kabul edilir. Manuel olarak kaydedin.
  2. 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.
    1. Test odası, absorbans test ekipmanından malzeme ile doldurulmadığında, test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyarak olay ışık yoğunluğunu (Ii) ölçün.
    2. Test odasını 10 μLof biyomürekkep ile doldurun.
    3. 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.
    4. 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.
    5. Denklem 2 ve 3'ü kullanarak sıvı absorbansını ve katı absorbansını hesaplayın:
      figure-protocol-2     Denklem 2
      figure-protocol-3     Denklem 3
  3. Elde edilen parametrelere göre Jacobs çalışma eğrisini elde edin.

figure-protocol-4
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

  1. DLP yazdırmayı ve yazılımdaki yazdırma parametreleri kümesini aşağıdaki gibi elde etmek için DLP yazılımını kullanın.
  2. İlk tek katmanın pozlama süresini, yazılımın parametre ayarlarında eşik süresi (tT) olarak ayarlayın.
    1. 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.
  3. Bitişik katmanlar arasındaki zaman aralığını yazılımın parametre ayarlarında 0 s'ye ayarlayın.
  4. Yazdırma yazılımındaki Başlat düğmesini tıklatarak yazıcıyı başlatın. Yazdırma işlemi sona erdiğinde, yazdırma yazılımındaki Durdur (Stop ) düğmesini tıklatarak yazdırmayı bitirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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, farkl...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Parlak MaviAladdin (Şangay, Çin).6104-59-2 
DLP yazılımıOluşturma AtölyesiN/A
Lityum fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinatN/ALAP; sentezlenmiş
Işık kaynağıOmniCurehttps://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems365 nm
Polietilen (glikol) diakrilatSigma-Aldrich455008PEGDA Mw ~700
Reometre Anton Paar, AvusturyaMCR302

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. Sun, W., et al. The bioprinting roadmap. Biofabrication. 12 (2), 022002(2020).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Yu, K., et al. Printability during projection-based 3D bioprinting. Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).
  7. Zhong, Z., et al. Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses. Biofabrication. 13 (4), (2021).
  8. Huh, J., et al. Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting. Biofabrication. 13 (3), (2021).
  9. 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).
  10. Ng, W. L., et al. Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges. Biofabrication. 12 (2), 022001(2020).
  11. Li, Y., et al. High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing. Additive Manufacturing. 30, 100889(2019).
  12. Kelly, B. E., et al. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).
  13. Tumbleston, J. R., et al. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

DLP BioprintingBioink PropertiesWorking CurvePhotocurable MaterialsTissue EngineeringContinuous DLP PrintingPhotorheological PropertiesAbsorbance MeasurementPrinting Efficiency3D Bioprinting

İlgili makaleler