Quantitative Charakterisierung der Eigenschaften von flüssigen lichtempfindlichen Biotinten für den kontinuierlichen digitalen Lichtverarbeitungsdruck

Zusammenfassung

In dieser Studie werden Temperatur und Materialzusammensetzung verwendet, um die Fließspannungseigenschaften von Fließspannungsflüssigkeiten zu steuern. Der festkörperartige Zustand der Tinte kann die Druckstruktur schützen, und der flüssigkeitsähnliche Zustand kann die Druckposition kontinuierlich ausfüllen, wodurch der digitale Lichtverarbeitungs-3D-Druck von extrem weichen Biotinten realisiert wird.

Zusammenfassung

Die präzise Druckherstellung von Biotinten ist eine Voraussetzung für das Tissue Engineering. Die Jacobs-Arbeitskurve ist das Werkzeug, um die präzisen Druckparameter der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) zu bestimmen. Die Erfassung von Arbeitskurven verschwendet jedoch Materialien und erfordert eine hohe Umformbarkeit von Materialien, die für Biomaterialien nicht geeignet sind. Darüber hinaus sind die Verringerung der Zellaktivität durch Mehrfachbelichtung und das Versagen der Strukturbildung durch wiederholte Positionierung unvermeidbare Probleme beim konventionellen DLP-Bioprinting. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Ermittlung der Arbeitskurve und der Verbesserungsprozess der kontinuierlichen DLP-Drucktechnologie auf der Grundlage einer solchen Arbeitskurve vorgestellt. Diese Methode zur Erzielung der Arbeitskurve basiert auf der Absorption und den photorheologischen Eigenschaften der Biomaterialien, die nicht von der Umformbarkeit der Biomaterialien abhängen. Der kontinuierliche DLP-Druckprozess, der durch die Verbesserung des Druckprozesses durch Analyse der Arbeitskurve erzielt wird, erhöht die Druckeffizienz um mehr als das Zehnfache und verbessert die Aktivität und Funktionalität der Zellen erheblich, was für die Entwicklung des Tissue Engineering von Vorteil ist.

Einleitung

Tissue Engineering¹ ist wichtig im Bereich der Organreparatur. Aufgrund des Mangels an Organspenden können einige Krankheiten wie Leberversagen und Nierenversagen nicht gut geheilt werden, und viele Patienten erhalten keine rechtzeitige Behandlung². Organoide mit der erforderlichen Funktion der Organe können das Problem lösen, das durch das Fehlen einer Organspende verursacht wird. Die Konstruktion von Organoiden hängt vom Fortschritt und der Entwicklung der Bioprinting-Technologie^{ab 3}.

Im Vergleich zum Extrusions-Bioprinting⁴ und dem Inkjet-Bioprinting⁵ sind die Druckgeschwindigkeit und die Druckgenauigkeit des DLP-Bioprinting-Verfahrens (Digital Light Processing) höher ^6,7. Das Druckmodul des Extrusionsverfahrens ist Zeilen-für-Zeile, während das Druckmodul des Inkjet-Verfahrens Punkt-für-Punkt ist, was weniger effizient ist als das Schicht-für-Schicht-Druckmodul des DLP-Bioprintings. Die modulierte ultraviolette (UV) Lichteinwirkung auf eine ganze Materialschicht, um eine Schicht im DLP-Bioprinting auszuhärten, und die Bildgröße bestimmen die Genauigkeit des DLP-Drucks. Das macht die DLP-Technologie sehr effizient ^8,9,10. Aufgrund der Überhärtung des UV-Lichts ist das genaue Verhältnis zwischen der Aushärtungszeit und der Druckgröße wichtig für das hochgenaue DLP-Bioprinting. Darüber hinaus ist der kontinuierliche DLP-Druck eine Modifikation des DLP-Druckverfahrens, die die Druckeffizienz erheblich verbessern kann^11,12,13. Für den kontinuierlichen DLP-Druck sind präzise Druckbedingungen die wichtigsten Faktoren.

Das Verhältnis zwischen der Aushärtungszeit und der Druckgröße wird als Jacobs-Arbeitskurve bezeichnet, die im DLP-Druck weit verbreitet ist^14,15,16. Die traditionelle Methode, um die Beziehung zu erhalten, besteht darin, das Material für eine bestimmte Zeit zu belichten und die Aushärtungsdicke zu messen, um einen Datenpunkt über die Belichtungszeit und die Aushärtungsdicke zu erhalten. Wenn Sie diesen Vorgang mindestens fünfmal wiederholen und die Datenpunkte anpassen, erhalten Sie die Jacobs-Arbeitskurve. Diese Methode hat jedoch offensichtliche Nachteile; Es muss viel Material verbraucht werden, um die Aushärtung zu erreichen, die Ergebnisse hängen stark von den Druckbedingungen ab, die im DLP-Bioprinting verwendeten Biotinten sind teuer und selten, und die Formbarkeit der Biotinten ist in der Regel nicht gut, was zu ungenauen Messungen der Aushärtungsdicke führen kann.

Dieser Artikel stellt eine neue Methode vor, um die Aushärtungsbeziehung entsprechend den physikalischen Eigenschaften der Biotinte zu erhalten. Mit dieser Theorie kann der kontinuierliche DLP-Druck optimiert werden. Diese Methode kann verwendet werden, um die Aushärtungsbeziehung schneller und genauer zu erhalten. Die kontinuierliche DLP-Aushärtung kann somit besser bestimmt werden.

Protokoll

1. Theoretische Vorbereitung

1. Definieren Sie drei Parameter: Flüssigkeitsabsorption (A_l), Feststoffabsorption (A_s) und Schwellenzeit (t_T)¹⁷.
2. Schreiben Sie die traditionelle Jacobs-Arbeitskurve mit diesen drei Parametern¹⁷ gemäß Gleichung 1 um:
   (Gleichung 1)
   Hier ist t H die Aushärtungszeit einer einzelnen Schicht und_H die Höhe einer einzelnen Schicht.

2. Parametererfassung

1. Messen Sie die Schwellenzeit der Biotinte mit einem Rheometer, das mit einem Element zur Temperaturregelung ausgestattet ist.
   1. Verwenden Sie eine 365-nm-Lichtquelle, um die Testplattform des Rheometers zu belichten und die Lichtintensität auf einen bestimmten Wert einzustellen.
   2. Stellen Sie das Rheometer so ein, dass es die Zeitmoduldaten über einen Zeitraum von 300 s erhält, und nehmen Sie jeden Datenpunkt alle 0,3 s durch die Zeiteinstellungsoptionen in der Rheometer-Software. Klicken Sie auf die Schaltfläche Test starten des Rheometers, um den Test zu starten , und klicken Sie gleichzeitig auf die Schaltfläche Start der Lichtquelle.
   3. Gerechnet ab Beginn der Belichtung, wenn die Speichermoduldaten gleich den Verlustmoduldaten sind, wird die entsprechende Zeit als Schwellenzeit erkannt. Manuell aufnehmen.
2. Bauen Sie die Absorptionsprüfgeräte wie in der vorherigen Arbeit¹⁷ gezeigt. Verwenden Sie zwei obere und untere Glasobjektträger, um die ringförmig gedruckte Struktur (5 mm Innendurchmesser, 10 mm Außendurchmesser) mit einer Dicke von 500μm so einzuspannen, dass der Innenkreis des Rings eine Kammer bildet. Stellen Sie die Kammer auf den Testbereich des Lichtintensitätsmessers und stellen Sie die Lichtquelle so ein, dass sie den Kammerbereich belichtet.
   HINWEIS: Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der photorheologischen Testergebnisse und Datenverarbeitungsergebnisse sowie die Absorptionsprüfgeräte.
   1. Messen Sie die einfallende Lichtintensität (I_i), wenn die Prüfkammer nicht mit Material aus dem Absorptionsprüfgerät gefüllt ist, indem Sie das Display des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen.
   2. Füllen Sie die Testkammer mit 10 μL Biotinte.
   3. Setzen Sie die Testkammer mit Biotinte UV-Licht bei 365 nm aus. Ermitteln Sie die Lichtintensität (I_lh) aus dem Absorptionsprüfgerät, indem Sie das Display des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen.
   4. Ermitteln Sie die Lichtintensität bei Aushärtung der Biotinte (I_sh) aus dem Absorptionsprüfgerät, indem Sie die Anzeige des Lichtintensitätsmessers des Prüfgeräts ablesen, wenn sich der Wert nicht mehr ändert. Dieser Wert ist die feste Absorption, I_sh.
   5. Berechnen Sie die Flüssigkeitsabsorption und die Feststoffabsorption mit den Gleichungen 2 und 3:
           Gleichung 2
           Gleichung 3
3. Erhalten Sie die Jacobs-Arbeitskurve gemäß den erhaltenen Parametern.

Abbildung 1: Testergebnisse und Ausrüstung. (A) Schematische Darstellung der photorheologischen Testergebnisse und der Ergebnisse der Datenverarbeitung. (B) Geräte für Absorptionsprüfungen. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Li et ^al.17 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

3. Parametereinstellungen für den kontinuierlichen DLP-Druck

1. Verwenden Sie die DLP-Software, um DLP-Druck zu erzielen, und verwenden Sie die folgenden Druckparameter in der Software.
2. Stellen Sie die Belichtungszeit der ersten einzelnen Ebene als Schwellwertzeit (t_T) in den Parametereinstellungen der Software ein.
   1. Berechnen Sie die Einwirkzeit für die Aushärtung von 10 μm dicken Materialien gemäß Gleichung 1 und subtrahieren Sie die Schwellenzeit, um die tatsächliche Belichtungszeit für die Aushärtung einer einzelnen Schicht zu erhalten.
3. Stellen Sie das Zeitintervall zwischen benachbarten Layern in den Parametereinstellungen der Software auf 0 s ein.
4. Starten Sie den Drucker, indem Sie in der Drucksoftware auf die Schaltfläche Start klicken. Wenn der Druckvorgang beendet ist, beenden Sie den Druckvorgang, indem Sie in der Drucksoftware auf die Schaltfläche Stopp klicken.

Ergebnisse

Dieser Artikel zeigt eine neue Methode zur Ermittlung von Aushärtungsparametern und stellt eine neue Methode vor, um einen kontinuierlichen DLP-Druck zu erreichen, wobei die Effizienz dieser Methode bei der Bestimmung der Arbeitskurve demonstriert wird.

Wir haben drei verschiedene Materialien im DLP-Druck verwendet, um die Genauigkeit der theoretischen Arbeitskurve zu überprüfen, die durch die in diesem Artikel vorgestellte Methode erhalten wurde. Die Materialien bestehen aus 20 % (v/v) Pol...

Diskussion

Die kritischen Schritte dieses Protokolls sind in Abschnitt 2 beschrieben. Es ist notwendig, die Lichtintensität, die bei der photorheologischen Prüfung verwendet wird, und die Drucklichtintensität bei den eigentlichen Tests zu vereinheitlichen. Die Absorptionsprüfgeräte sind der wichtigste Teil. Die Form der Prüfkammer sollte mit dem lichtempfindlichen Bereich des Lichtintensitätsmessers übereinstimmen. Aufgrund der Eigenschaften der Materialien, die sich während des gesamten UV-Belichtungsprozesses ständig ä...

Materialien

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