Summary
Denne undersøgelse bruger temperatur og materialesammensætning til at kontrollere flydespændingsegenskaberne for flydespændingsvæsker. Den faststoflignende tilstand af blækket kan beskytte trykstrukturen, og den væskelignende tilstand kan kontinuerligt fylde udskrivningspositionen og realisere den digitale lysbehandling 3D-udskrivning af ekstremt bløde bioblæk.
Abstract
Præcis trykfremstilling af bioblæk er en forudsætning for vævsteknik; Jacobs arbejdskurve er værktøjet til at bestemme de præcise udskrivningsparametre for digital lysbehandling (DLP). Erhvervelsen af arbejdskurver spilder imidlertid materialer og kræver høj formbarhed af materialer, som ikke er egnede til biomaterialer. Derudover er reduktionen af celleaktivitet på grund af flere eksponeringer og svigt i strukturel dannelse på grund af gentagen positionering begge uundgåelige problemer i konventionel DLP-bioprint. Dette arbejde introducerer en ny metode til opnåelse af arbejdskurven og forbedringsprocessen for kontinuerlig DLP-udskrivningsteknologi baseret på en sådan arbejdskurve. Denne metode til opnåelse af arbejdskurven er baseret på biomaterialernes absorbans og fotorheologiske egenskaber, som ikke afhænger af biomaterialernes formbarhed. Den kontinuerlige DLP-udskrivningsproces, der opnås ved at forbedre udskrivningsprocessen ved at analysere arbejdskurven, øger udskrivningseffektiviteten mere end ti gange og forbedrer cellernes aktivitet og funktionalitet kraftigt, hvilket er gavnligt for udviklingen af vævsteknik.
Introduction
Vævsteknik1 er vigtig inden for organreparation. På grund af manglen på organdonation kan nogle sygdomme, såsom leversvigt og nyresvigt, ikke helbredes godt, og mange patienter modtager ikke rettidig behandling2. Organoider med den krævede funktion af organerne kan løse problemet forårsaget af manglende organdonation. Opførelsen af organoider afhænger af fremskridt og udvikling af bioprintteknologi3.
Sammenlignet med ekstruderingstype bioprinting4 og inkjet-type bioprinting5 er udskrivningshastigheden og udskrivningsnøjagtigheden af digital lysbehandling (DLP) bioprintmetodenhøjere 6,7. Udskrivningsmodulet i ekstruderingsmetoden er linje for linje, mens udskrivningsmodulet i inkjet-type-metoden er punkt-for-punkt, hvilket er mindre effektivt end lag-for-lag-udskrivningsmodulet i DLP-bioprinting. Den modulerede ultraviolette (UV) lyseksponering for et helt lag materiale for at hærde et lag i DLP-bioprint og billedets funktionsstørrelse bestemmer nøjagtigheden af DLP-udskrivning. Dette gør DLP-teknologien meget effektiv 8,9,10. På grund af overhærdning af UV-lyset er det præcise forhold mellem hærdetiden og udskrivningsstørrelsen vigtigt for DLP-bioprint med høj nøjagtighed. Desuden er kontinuerlig DLP-udskrivning en ændring af DLP-udskrivningsmetode, der i høj grad kan forbedre udskrivningseffektiviteten11,12,13. Ved kontinuerlig DLP-udskrivning er præcise udskrivningsforhold de vigtigste faktorer.
Forholdet mellem hærdetiden og trykstørrelsen kaldes Jacobs arbejdskurve, som er meget udbredt i DLP-udskrivning14,15,16. Den traditionelle metode til at opnå forholdet er at udsætte materialet i et bestemt tidsrum og måle hærdningstykkelsen for at opnå et datapunkt om eksponeringstiden og hærdningstykkelsen. Ved at gentage denne operation mindst fem gange og montere datapunkterne opnås Jacobs-arbejdskurven. Denne metode har imidlertid åbenlyse ulemper; det skal forbruge meget materiale for at opnå hærdningen, resultaterne er meget afhængige af trykforholdene, de bioblæk, der anvendes i DLP-bioprint, er dyre og sjældne, og formbarheden af bioblækket er normalt ikke god, hvilket kan føre til unøjagtige målinger af hærdningstykkelse.
Denne artikel giver en ny metode til at opnå hærdningsforholdet i henhold til bioblækkets fysiske egenskaber. Brug af denne teori kan optimere kontinuerlig DLP-udskrivning. Denne metode kan bruges til at opnå hærdningsforholdet hurtigere og mere præcist; den kontinuerlige DLP-hærdning kan derfor bedre bestemmes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Teoretisk forberedelse
- Der defineres tre parametre: væskeabsorbans (Al), absorbans for fast stof (As) og tærskeltid (tT)17.
- Omskriv den traditionelle Jacobs-arbejdskurve ved hjælp af disse tre parametre17 i henhold til ligning 1:
(Ligning 1)
Her er t H hærdetiden for et enkelt lag, ogH er højden af et enkelt lag.
(Ligning 1)2. Parameter erhvervelse
- Mål tærskeltiden for bioblækket ved hjælp af et reometer udstyret med et element til temperaturregulering.
- Brug en 365 nm lyskilde til at udsætte reometerets testplatform og gøre lysintensiteten til en bestemt værdi.
- Indstil reometeret til at hente Time-Moduli-data i en periode på 300 s, og tag hvert datapunkt hver 0,3 sek. gennem indstillingerne for tidsindstillinger i reometersoftwaren. Klik på knappen Start test på reometeret for at starte testen, og klik samtidig på knappen Start på lyskilden.
- Tæller fra starten af eksponeringen, når lagringsmodulets data er lig med tabsmoduldataene, genkendes den tilsvarende tid som tærskeltiden. Optag manuelt.
- Absorbansprøveudstyret opbygges som vist i det foregående arbejde17. Brug to øvre og nedre glasskinner til at fastspænde den ringformede trykte struktur (5 mm indvendig diameter, 10 mm ydre diameter) med en tykkelse på 500 μm, så ringens indre cirkel danner et kammer. Placer kammeret på lysintensitetsmålerens prøveområde, og indstil lyskilden til at eksponere kammerområdet.
BEMÆRK: Figur 1 viser det skematiske diagram over fotorheologiske testresultater og databehandlingsresultater samt absorbanstestudstyret.- Den indfaldende lysintensitet (Ii) måles, når prøvekammeret ikke fyldes med materiale fra absorbansprøvningsudstyret, ved aflæsning af displayet på prøvningsudstyrets lysintensitetsmåler.
- Fyld testkammeret med 10 μL bioblæk.
- Udsæt testkammeret med bioblæk for UV-lys ved 365 nm. Lysintensiteten (Ilh) opnås fra absorbansprøveudstyret ved aflæsning af displayet på prøvningsudstyrets lysintensitetsmåler.
- Lysintensiteten, når bioblækket hærdes (Ish), opnås fra absorbansprøvningsudstyret ved at aflæse displayet på prøvningsudstyrets lysintensitetsmåler, når værdien ikke længere ændres. Denne værdi er den faste absorbans, Ish.
- Væskeabsorbansen og absorbansen for fast stof beregnes ved hjælp af ligning 2 og 3:
Ligning 2
Ligning 3
- Få Jacobs arbejdskurve i henhold til de opnåede parametre.
Ligning 2
Ligning 3
Figur 1: Prøvningsresultater og -udstyr . (A) Skematisk diagram over fotorheologiske testresultater og databehandlingsresultater. B) Udstyr til afprøvning af absorbans. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Li et al.17. Klik her for at se en større version af denne figur.
3. Indstillinger for kontinuerlig DLP-udskrivningsparameter
- Brug DLP-software til at opnå DLP-udskrivning og sættet af udskrivningsparametre i softwaren som følger.
- Indstil eksponeringstiden for det første enkeltlag som tærskeltid (tT) i softwarens parameterindstillinger.
- Beregn eksponeringstiden for hærdning af 10 μmtykke materialer i henhold til ligning 1, og træk tærskeltiden fra for at opnå den reelle eksponeringstid for hærdning af et enkelt lag.
- Indstil tidsintervallet mellem tilstødende lag til 0 s i softwarens parameterindstillinger.
- Start printeren ved at klikke på knappen Start i udskrivningssoftwaren. Når udskrivningsprocessen er afsluttet, skal du afslutte udskrivningen ved at klikke på knappen Stop i udskrivningssoftwaren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne artikel viser en ny metode til opnåelse af hærdningsparametre og introducerer en ny måde at opnå kontinuerlig DLP-udskrivning på, hvilket demonstrerer effektiviteten af denne metode til bestemmelse af arbejdskurven.
Vi brugte tre forskellige materialer i DLP-udskrivning til at verificere nøjagtigheden af den teoretiske arbejdskurve opnået ved metoden introduceret i denne artikel. Materialerne er 20% (v / v) polyethylen (glycol) diacrylat (PEGDA), 0,5% (w / v) lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat (LAP) med forskellige koncentrationer af UV-absorber-0,1% (w / v), 0,15% (w / v) og 0,2% (w / v) strålende blå. Data for den reelle hærdningstykkelse med de teoretiske arbejdskurver er vist i figur 2.
Figur 2: Sammenligning mellem den teoretiske arbejdskurve og de faktiske udskrivningsdata . (A) 0,1% (w/v) absorberende. B) 0,15% (w/v) absorber. (C) 0,2% (w/v) absorber. Klik her for at se en større version af denne figur.
Den teoretiske arbejdskurve kan bruges til at beregne arbejdskurven nøjagtigt. Uanset hvad materialesammensætningen er, viser det store sammenfald af de faktiske trykresultater og de teoretiske resultater metodens effektivitet.
Vi sammenlignede også den samlede udskrivningstid for den traditionelle DLP-udskrivningsmetode med den kontinuerlige DLP-udskrivningsmetode, der er udviklet i denne artikel. Som vist i figur 3 gælder det, at jo mindre printlagtykkelsen er, desto tydeligere er forbedringen af den kontinuerlige DLP-udskrivningseffektivitet. Hærdningseffektiviteten steg mere end ti gange.
Figur 3: Effektivitetssammenligning mellem traditionel DLP-udskrivning og kontinuerlig DLP-udskrivning. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Li et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.
Erhvervelsen af den teoretiske arbejdskurve kan bruges til at forbedre DLP-processen og fremme DLP-teknologiens fremskridt, men uden erhvervelsen af den teoretiske arbejdskurve er det umuligt at kontrollere den nye trykmetode nøjagtigt. Jo mindre printlagtykkelsen er, desto bedre er udskriftskvaliteten, hvilket betyder, at den kontinuerlige DLP-udskrivningsmetode, der foreslås i denne artikel, samtidig kan opnå høj effektivitet og høj nøjagtighed.
Figur 4: Sammenligning af udskrivningsresultater mellem traditionel DLP-udskrivning og kontinuerlig DLP-udskrivning . (A) Den hærdede model ved hjælp af den traditionelle metode. (B) Den hærdede model ved hjælp af vores kontinuerlige DLP-udskrivningsmetode. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Li et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.
I modsætning til den traditionelle metode, der kræver gentagne trykeksperimenter, behøver denne metode kun at teste materialets relevante materialeegenskaber. Kun en meget lille mængde materiale er nødvendigt for nøjagtigt at opnå den tilsvarende arbejdskurve. Den traditionelle metode spilder ikke kun materiale, men er også stærkt afhængig af målemetoder til at bestemme den nøjagtige støbetykkelse af forskellige eksponeringstider. For materialer med dårlig formbarhed er det vanskeligt at opnå tryktykkelsen nøjagtigt, så arbejdskurven er unøjagtig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiske trin i denne protokol er beskrevet i afsnit 2. Det er nødvendigt at forene den lysintensitet, der anvendes i fotorheologitesten, og tryklysintensiteten i de faktiske tests. Absorbanstestudstyret er den vigtigste del. Testkammerets form skal være den samme som lysintensitetsmålerens lysfølsomme område. På grund af materialernes egenskaber, der kontinuerligt ændrer sig under hele UV-lyseksponeringsprocessen, skal lysintensiteten fortsætte med at ændre sig6. Ifølge definitionen af væskeabsorbans og fast absorbans i ligning 1 forenkles hærdningsprocessen. Hvis dataene i begyndelsen af eksponeringen tages som væskeabsorbans, og dataene, når lysintensiteten er konstant, da absorbansen af fast stof er den mest kritiske operation.
Det er værd at bemærke, at denne metode har en uundgåelig begrænsning, hvilket er forenklingen af hærdningsprocessen. Da den teoretiske modellering af denne metode ikke tager højde for faktorer som ilthæmning13, er der fejl mellem den faktiske arbejdskurve og den teoretiske arbejdskurve. Yderligere, hvis den eksterne forstyrrelse er stor, kan den teoretiske arbejdskurve ikke nøjagtigt anvendes til forskning.
Den traditionelle metode til at opnå Jacobs-arbejdskurven kræver flere udskrivninger med forskellige eksponeringstider15. Arbejdskurven opnås ved at måle tryktykkelsen svarende til eksponeringstiden og tilpasse dataene. Denne metode kræver meget materiale og er meget ineffektiv. Materialets trykevne begrænser arbejdskurvens nøjagtighed, og observation og måling af strukturen forstærker også fejlen. Metoden i denne artikel til opnåelse af arbejdskurven kan spare mange materialer, nøjagtige arbejdskurver kan kun opnås gennem enkle materialeegenskabstest, og arbejdskurvens nøjagtighed kan garanteres uafhængigt af materialets formbarhed. I DLP-bioprintforskningen, når materialet er meget blødt (E < 10 kPa), kan det ikke udskrives godt, og dette vil påvirke tryktykkelsesdataene opnået ved den traditionelle metode og derved påvirke nøjagtigheden af arbejdskurven18. Metoden nævnt i denne protokol kan tilvejebringe en løsning til bestemmelse af DLP-udskrivningsprocesparametrene for bløde biomaterialer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender taknemmeligt støtten fra National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) og China Postdoctoral Science Foundation (bevilling nr. 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).
