التوصيف الكمي لخصائص الحبر الحيوي السائل الحساس للضوء للطباعة القائمة على معالجة الضوء الرقمي المستمر
Summary
تستخدم هذه الدراسة درجة الحرارة وتكوين المواد للتحكم في خصائص إجهاد الخضوع لسوائل إجهاد الخضوع. يمكن للحالة الصلبة الشبيهة بالحبر حماية هيكل الطباعة ، ويمكن للحالة الشبيهة بالسائل أن تملأ موضع الطباعة باستمرار ، مما يحقق الطباعة الرقمية 3D لمعالجة الضوء للأحبار الحيوية الناعمة للغاية.
Abstract
يعد التصنيع الدقيق للطباعة للأحبار الحيوية شرطا أساسيا لهندسة الأنسجة. منحنى عمل جاكوبس هو أداة لتحديد معلمات الطباعة الدقيقة لمعالجة الضوء الرقمي (DLP). ومع ذلك ، فإن الحصول على منحنيات العمل يهدر المواد ويتطلب قابلية عالية للتشكيل للمواد ، والتي ليست مناسبة للمواد الحيوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقليل نشاط الخلية بسبب التعرضات المتعددة وفشل التكوين الهيكلي بسبب تحديد المواقع المتكرر كلاهما مشاكل لا مفر منها في الطباعة الحيوية التقليدية DLP. يقدم هذا العمل طريقة جديدة للحصول على منحنى العمل وعملية تحسين تقنية طباعة DLP المستمرة بناء على منحنى العمل هذا. تعتمد طريقة الحصول على منحنى العمل هذه على الامتصاص والخصائص الضوئية للمواد الحيوية ، والتي لا تعتمد على قابلية تشكيل المواد الحيوية. تزيد عملية طباعة DLP المستمرة ، التي تم الحصول عليها من تحسين عملية الطباعة من خلال تحليل منحنى العمل ، من كفاءة الطباعة بأكثر من عشرة أضعاف وتحسن بشكل كبير من نشاط الخلايا ووظائفها ، وهو أمر مفيد لتطوير هندسة الأنسجة.
Introduction
هندسة الأنسجة1 مهمة في مجال إصلاح الأعضاء. بسبب نقص التبرع بالأعضاء ، لا يمكن علاج بعض الأمراض ، مثل فشل الكبد والفشل الكلوي ، بشكل جيد ، ولا يتلقى العديد من المرضى العلاج في الوقت المناسب2. المواد العضوية مع الوظيفة المطلوبة للأعضاء قد تحل المشكلة الناجمة عن عدم التبرع بالأعضاء. يعتمد بناء المواد العضوية على تقدم وتطوير تكنولوجيا الطباعة الحيوية3.
بالمقارنة مع الطباعة الحيوية من نوع البثق4 والطباعة الحيوية من نوع نفث الحبر5 ، فإن سرعة الطباعة ودقة الطباعة لطريقة الطباعة الحيوية لمعالجة الضوء الرقمي (DLP) أعلى 6,7. وحدة الطباعة لطريقة نوع البثق هي سطرا تلو الآخر ، في حين أن وحدة الطباعة لطريقة نفث الحبر هي نقطة تلو الأخرى ، وهي أقل كفاءة من وحدة الطباعة طبقة تلو الأخرى للطباعة الحيوية DLP. يحدد التعرض للأشعة فوق البنفسجية المعدلة (UV) لطبقة كاملة من المواد لعلاج طبقة في الطباعة الحيوية DLP وحجم ميزة الصورة دقة طباعة DLP. هذا يجعل تقنية DLP فعالة للغاية8،9،10. نظرا للتجاوز الزائد لضوء الأشعة فوق البنفسجية ، فإن العلاقة الدقيقة بين وقت المعالجة وحجم الطباعة مهمة للطباعة الحيوية DLP عالية الدقة. علاوة على ذلك ، تعد طباعة DLP المستمرة تعديلا لطريقة طباعة DLP التي يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة الطباعة11،12،13. بالنسبة لطباعة DLP المستمرة ، تعد ظروف الطباعة الدقيقة هي أهم العوامل.
تسمى العلاقة بين وقت المعالجة وحجم الطباعة منحنى عمل جاكوبس ، والذي يستخدم على نطاق واسع في طباعة DLP14،15،16. الطريقة التقليدية للحصول على العلاقة هي تعريض المادة لفترة معينة وقياس سمك المعالجة للحصول على نقطة بيانات حول وقت التعرض وسمك المعالجة. يؤدي تكرار هذه العملية خمس مرات على الأقل وتركيب نقاط البيانات إلى الحصول على منحنى عمل جاكوبس. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها عيوب واضحة. يحتاج إلى استهلاك الكثير من المواد لتحقيق المعالجة ، وتعتمد النتائج بشكل كبير على ظروف الطباعة ، والأحبار الحيوية المستخدمة في الطباعة الحيوية DLP باهظة الثمن ونادرة ، وعادة ما تكون قابلية تشكيل الأحبار الحيوية غير جيدة ، مما قد يؤدي إلى قياسات غير دقيقة لسمك المعالجة.
توفر هذه المقالة طريقة جديدة للحصول على علاقة المعالجة وفقا للخصائص الفيزيائية للحبر الحيوي. يمكن أن يؤدي استخدام هذه النظرية إلى تحسين طباعة DLP المستمرة. يمكن استخدام هذه الطريقة للحصول على علاقة المعالجة بسرعة ودقة أكبر ؛ وبالتالي يمكن تحديد المعالجة المستمرة ل DLP بشكل أفضل.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويرد وصف للخطوات الحاسمة لهذا البروتوكول في القسم 2. من الضروري توحيد شدة الضوء المستخدمة في اختبار التصوير الضوئي وشدة ضوء الطباعة في الاختبارات الفعلية. معدات اختبار الامتصاص هي الجزء الأكثر أهمية. يجب أن يكون شكل غرفة الاختبار هو نفسه المنطقة الحساسة للضوء لمقياس شدة الضوء. نظرا لخصائص…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 12125205 ، 12072316 ، 12132014) ، ومؤسسة علوم ما بعد الدكتوراه الصينية (رقم المنحة 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).
