Kvantitativ karakterisering av flytande ljuskänsliga biobläckegenskaper för kontinuerlig digital ljusbearbetning baserad utskrift
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
