אפיון כמותי של תכונות ביודיו נוזלי רגיש לאור להדפסה רציפה מבוססת עיבוד אור דיגיטלי

Summary

מחקר זה משתמש בטמפרטורה ובהרכב החומרים כדי לשלוט בתכונות עקת התשואה של נוזלי עקת התשואה. המצב המוצק של הדיו יכול להגן על מבנה ההדפסה, והמצב דמוי הנוזל יכול למלא ברציפות את מיקום ההדפסה, תוך מימוש עיבוד האור הדיגיטלי הדפסה תלת-ממדית של דיו ביולוגי רך במיוחד.

Abstract

ייצור הדפסה מדויקת של דיו ביולוגי הוא תנאי מוקדם להנדסת רקמות; עקומת העבודה של ג'ייקובס היא הכלי לקביעת פרמטרי ההדפסה המדויקים של עיבוד אור דיגיטלי (DLP). עם זאת, רכישת עקומות עבודה מבזבזת חומרים ודורשת יכולת עיצוב גבוהה של חומרים, שאינם מתאימים לביו-חומרים. בנוסף, הפחתת פעילות התא עקב חשיפות מרובות וכישלון היווצרות מבנית עקב מיקום חוזר הן בעיות בלתי נמנעות בהדפסה ביולוגית קונבנציונלית של DLP. עבודה זו מציגה שיטה חדשה להשגת עקומת העבודה ותהליך השיפור של טכנולוגיית הדפסת DLP רציפה המבוססת על עקומת עבודה כזו. שיטה זו להשגת עקומת העבודה מבוססת על תכונות הספיגה והפוטוראולוגיות של הביו-חומרים, שאינן תלויות ביכולת הצורה של הביו-חומרים. תהליך ההדפסה הרציף של DLP, המתקבל משיפור תהליך ההדפסה על ידי ניתוח עקומת העבודה, מגדיל את יעילות ההדפסה יותר מפי עשרה ומשפר מאוד את הפעילות והפונקציונליות של תאים, מה שמועיל להתפתחות הנדסת רקמות.

Introduction

הנדסת רקמות¹ חשובה בתחום תיקון איברים. בשל היעדר תרומת איברים, מחלות מסוימות, כגון אי ספיקת כבד ואי ספיקת כליות, אינן ניתנות לריפוי טוב, וחולים רבים אינם מקבלים טיפול בזמן². אורגנואידים עם התפקוד הנדרש של האיברים עשויים לפתור את הבעיה הנגרמת על ידי חוסר תרומת איברים. בניית אורגנואידים תלויה בהתקדמות ופיתוח טכנולוגיית ההדפסה הביולוגית³.

בהשוואה להדפסה ביולוגית מסוג אקסטרוזיה⁴ והדפסה ביולוגית מסוג הזרקת דיו⁵, מהירות ההדפסה ודיוק ההדפסה של שיטת ההדפסה הביולוגית של עיבוד אור דיגיטלי (DLP) גבוהים יותר ^6,7. מודול ההדפסה של שיטת סוג האקסטרוזיה הוא שורה אחר שורה, ואילו מודול ההדפסה של שיטת הזרקת הדיו הוא נקודה אחר נקודה, שהוא פחות יעיל ממודול ההדפסה שכבה אחר שכבה של הדפסה ביולוגית DLP. החשיפה לאור אולטרה סגול (UV) מאופנן לשכבה שלמה של חומר כדי לרפא שכבה בהדפסה ביולוגית של DLP וגודל התכונות של התמונה קובע את הדיוק של הדפסת DLP. זה הופך את טכנולוגיית DLP ליעילה מאוד ^8,9,10. בשל כיסוי יתר של אור UV, הקשר המדויק בין זמן הריפוי לגודל ההדפסה חשוב להדפסה ביולוגית DLP ברמת דיוק גבוהה. יתר על כן, הדפסת DLP רציפה היא שינוי של שיטת הדפסת DLP שיכול לשפר מאוד את יעילות ההדפסה^11,12,13. עבור הדפסת DLP רציפה, תנאי הדפסה מדויקים הם הגורמים החשובים ביותר.

הקשר בין זמן הריפוי לגודל ההדפסה נקרא עקומת העבודה של ג'ייקובס, אשר נמצאת בשימוש נרחב בהדפסת DLP^14,15,16. השיטה המסורתית להשגת הקשר היא לחשוף את החומר לזמן מסוים ולמדוד את עובי הריפוי כדי לקבל נקודת נתונים על זמן החשיפה ועובי הריפוי. חזרה על פעולה זו לפחות חמש פעמים והתאמת נקודות הנתונים מקבלת את עקומת העבודה של ג'ייקובס. עם זאת, שיטה זו יש חסרונות ברורים; הוא צריך לצרוך חומר רב כדי להשיג את הריפוי, התוצאות תלויות מאוד בתנאי ההדפסה, הביודיו המשמש בהדפסה ביולוגית DLP הוא יקר ונדיר, ויכולת הצורה של הביודיו בדרך כלל אינה טובה, מה שעלול להוביל למדידות לא מדויקות של עובי הריפוי.

מאמר זה מספק שיטה חדשה להשגת יחסי הריפוי בהתאם לתכונות הפיזיקליות של הביו-דיו. שימוש בתיאוריה זו יכול למטב הדפסת DLP רציפה. שיטה זו יכולה לשמש כדי להשיג את יחסי הריפוי בצורה מהירה ומדויקת יותר; לכן ניתן לקבוע טוב יותר את ריפוי ה- DLP הרציף.

Protocol

1. הכנה תיאורטית

1. הגדר שלושה פרמטרים: ספיגת נוזלים (A_l), ספיגה מוצקה (A_s) וזמן סף (t_T)¹⁷.
2. כתוב מחדש את עקומת העבודה המסורתית של ג'ייקובס באמצעות שלושת הפרמטרים הבאים¹⁷ לפי משוואה 1:
   (משוואה 1)
   כאן, t H הוא זמן הריפוי של שכבה אחת בודדת,_ו-H הוא גובהה של שכבה בודדת אחת.

2. רכישת פרמטרים

1. מדוד את זמן הסף של הדיו הביולוגי באמצעות ראומטר המצויד באלמנט לבקרת טמפרטורה.
   1. השתמש במקור אור של 365 ננומטר כדי לחשוף את פלטפורמת הבדיקה של הריומטר ולהפוך את עוצמת האור לערך מסוים.
   2. הגדר את הריאומטר כדי לקבל את נתוני מודולי הזמן במהלך תקופה של 300 שניות, וקח כל נקודת נתונים כל 0.3 שניות דרך אפשרויות הגדרות הזמן בתוכנת הריומטר. לחץ על לחצן התחל בדיקה של המד כדי להתחיל את הבדיקה ובמקביל, לחץ על לחצן התחל של מקור האור.
   3. ספירה מתחילת החשיפה, כאשר נתוני מודולוס האחסון שווים לנתוני מודולוס האובדן, הזמן המתאים מזוהה כזמן הסף. הקלט ידנית.
2. בנה את ציוד בדיקת הספיגה כפי שהוצג בעבודה הקודמת¹⁷. השתמש בשתי שקופיות זכוכית עליונות ותחתונות כדי להדק את המבנה המודפס בצורת טבעת (קוטר פנימי 5 מ"מ, קוטר חיצוני 10 מ"מ) בעובי של 500μm כך שהמעגל הפנימי של הטבעת יוצר חדר. הניחו את התא על אזור הבדיקה של מד עוצמת האור וכוונו את מקור האור כך שיחשוף את אזור התא.
   הערה: איור 1 מציג את התרשים הסכמטי של תוצאות בדיקות פוטוראולוגיות ותוצאות עיבוד נתונים, ואת ציוד בדיקת הספיגה.
   1. מדוד את עוצמת האור של האירוע (I_i) כאשר תא הבדיקה אינו מלא בחומר מציוד בדיקת הספיגה על ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה.
   2. מלא את תא הבדיקה בדיו ביולוגי של 10 μLof.
   3. חשוף את תא הבדיקה עם דיו ביולוגי לאור UV ברזולוציה של 365 ננומטר. קבל את עוצמת האור (I_lh) מציוד בדיקת הספיגה על ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה.
   4. השג את עוצמת האור כאשר הדיו הביולוגי נרפא (I_sh) מציוד בדיקת הספיגה על-ידי קריאת התצוגה של מד עוצמת האור של ציוד הבדיקה כאשר הערך אינו משתנה עוד. ערך זה הוא הספיגה המוצקה, אני_ש.
   5. חשב את ספיגת הנוזלים וספיגת המוצקים באמצעות משוואות 2 ו- 3:
           משוואה 2
           משוואה 3
3. קבל את עקומת העבודה של ג'ייקובס בהתאם לפרמטרים שהתקבלו.

איור 1: תוצאות בדיקות וציוד. (A) תרשים סכמטי של תוצאות בדיקות פוטוראולוגיות ותוצאות עיבוד נתונים. (ב) ציוד לבדיקת ספיגה. נתון זה שונה באישור Li et ^al.17. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

3. הגדרות פרמטר הדפסה רציף של DLP

1. השתמש בתוכנת DLP כדי להשיג הדפסת DLP, ואת קבוצת פרמטרי ההדפסה בתוכנה באופן הבא.
2. הגדר את זמן החשיפה של השכבה הבודדת הראשונה כזמן הסף (t_T) בהגדרות הפרמטרים של התוכנה.
   1. חשב את זמן החשיפה של ריפוי חומרים בעובי 10 מיקרומטר לפי משוואה 1 והחסר את זמן הסף כדי לקבל את זמן החשיפה האמיתי לריפוי שכבה בודדת.
3. הגדר את מרווח הזמן בין שכבות סמוכות ל- 0 שניות בהגדרות הפרמטרים של התוכנה.
4. הפעל את המדפסת על-ידי לחיצה על לחצן התחל בתוכנת ההדפסה. כאשר תהליך ההדפסה מסתיים, סיים את ההדפסה על-ידי לחיצה על לחצן עצור בתוכנת ההדפסה.

תוצאות

מאמר זה מציג שיטה חדשה להשגת פרמטרים ריפוי ומציג דרך חדשה להשגת הדפסת DLP רציפה, המדגימה את היעילות של שיטה זו בקביעת עקומת העבודה.

השתמשנו בשלושה חומרים שונים בהדפסת DLP כדי לאמת את הדיוק של עקומת העבודה התיאורטית המתקבלת בשיטה שהוצגה במאמר זה. החומרים הם 20% (v/v) פוליאתילן (גליק...

Discussion

השלבים הקריטיים של פרוטוקול זה מתוארים בסעיף 2. יש צורך לאחד את עוצמת האור המשמשת במבחן הפוטוריאולוגיה ואת עוצמת האור המודפסת בבדיקות בפועל. ציוד בדיקת הספיגה הוא החלק החשוב ביותר. צורת תא הבדיקה צריכה להיות זהה לאזור הרגיש לאור של מד עוצמת האור. בשל תכונות החומרים המשתנים ללא הרף במהלך כל ...

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