Sürekli Dijital Işık İşleme Tabanlı Baskı için Sıvı Işığa Duyarlı Biyomürekkep Özelliklerinin Kantitatif Karakterizasyonu

Özet

Bu çalışma, akma gerilimi sıvılarının akma gerilimi özelliklerini kontrol etmek için sıcaklık ve malzeme bileşimini kullanmaktadır. Mürekkebin katı benzeri durumu, baskı yapısını koruyabilir ve sıvı benzeri durum, son derece yumuşak biyomürekkeplerin dijital ışık işleme 3D baskısını gerçekleştirerek baskı pozisyonunu sürekli olarak doldurabilir.

Özet

Biyomürekkeplerin hassas baskı üretimi, doku mühendisliği için bir ön koşuldur; Jacobs çalışma eğrisi, dijital ışık işlemenin (DLP) hassas baskı parametrelerini belirlemek için kullanılan bir araçtır. Bununla birlikte, çalışma eğrilerinin elde edilmesi, malzemeleri boşa harcar ve biyomalzemeler için uygun olmayan malzemelerin yüksek şekillendirilebilirliğini gerektirir. Ek olarak, çoklu maruziyetler nedeniyle hücre aktivitesinin azalması ve tekrarlanan konumlandırma nedeniyle yapısal oluşumun başarısızlığı, geleneksel DLP biyobaskısında kaçınılmaz sorunlardır. Bu çalışma, çalışma eğrisini elde etmek için yeni bir yöntem ve böyle bir çalışma eğrisine dayanan sürekli DLP baskı teknolojisinin iyileştirme sürecini tanıtmaktadır. Çalışma eğrisini elde etmenin bu yöntemi, biyomalzemelerin şekillendirilebilirliğine bağlı olmayan biyomalzemelerin absorbans ve fotoreolojik özelliklerine dayanmaktadır. Çalışma eğrisini analiz ederek baskı sürecinin iyileştirilmesinden elde edilen sürekli DLP baskı işlemi, baskı verimliliğini on kattan fazla arttırır ve doku mühendisliğinin gelişimine faydalı olan hücrelerin aktivitesini ve işlevselliğini büyük ölçüde geliştirir.

Giriş

Doku mühendisliği¹ organ onarımı alanında önemlidir. Organ bağışı yapılmaması nedeniyle karaciğer yetmezliği ve böbrek yetmezliği gibi bazı hastalıklar iyi tedavi edilememekte ve birçok hasta zamanında tedavi görememektedir². Organların gerekli fonksiyonuna sahip organoidler, organ bağışı eksikliğinden kaynaklanan sorunu çözebilir. Organoidlerin yapımı, biyobaskı teknolojisinin ilerlemesine ve gelişmesine bağlıdır³.

Ekstrüzyon tipi biyobaskı⁴ ve mürekkep püskürtmeli tip biyobaskı⁵ ile karşılaştırıldığında, dijital ışık işleme (DLP) biyobaskı yönteminin baskı hızı ve baskı doğruluğu daha yüksektir ^6,7. Ekstrüzyon tipi yöntemin yazdırma modülü satır satır, mürekkep püskürtmeli tip yöntemin yazdırma modülü ise DLP biyobaskının katman katman yazdırma modülünden daha az verimli olan nokta noktadır. DLP biyobaskıda bir katmanı iyileştirmek için bütün bir malzeme tabakasına modüle edilmiş ultraviyole (UV) ışığa maruz kalma ve görüntünün özellik boyutu, DLP baskının doğruluğunu belirler. Bu, DLP teknolojisini çok verimli hale getirir ^8,9,10. UV ışığının aşırı kürlenmesi nedeniyle, kürlenme süresi ile baskı boyutu arasındaki hassas ilişki, yüksek hassasiyetli DLP biyo-baskı için önemlidir. Ayrıca, sürekli DLP baskı, baskı verimliliğini büyük ölçüde artırabilen DLP baskı yönteminin bir modifikasyonudur^11,12,13. Sürekli DLP baskı için, hassas baskı koşulları en önemli faktörlerdir.

Kürlenme süresi ile baskı boyutu arasındaki ilişkiye, DLP baskı^14,15,16'da yaygın olarak kullanılan Jacobs çalışma eğrisi denir. İlişkiyi elde etmenin geleneksel yöntemi, malzemeyi belirli bir süre maruz bırakmak ve maruz kalma süresi ve kürlenme kalınlığı hakkında bir veri noktası elde etmek için kürlenme kalınlığını ölçmektir. Bu işlemi en az beş kez tekrarlamak ve veri noktalarını sığdırmak, Jacobs çalışma eğrisini elde eder. Bununla birlikte, bu yöntemin belirgin dezavantajları vardır; kürlenmeyi başarmak için çok fazla malzeme tüketmesi gerekir, sonuçlar baskı koşullarına büyük ölçüde bağlıdır, DLP biyobaskısında kullanılan biyomürekkepler pahalı ve nadirdir ve biyomürekkeplerin şekillendirilebilirliği genellikle iyi değildir, bu da kürlenme kalınlığının yanlış ölçümlerine yol açabilir.

Bu makalede, biyomürekkebin fiziksel özelliklerine göre kürleme ilişkisini elde etmek için yeni bir yöntem sunulmaktadır. Bu teoriyi kullanmak, sürekli DLP baskısını optimize edebilir. Bu yöntem, kürlenme ilişkisini daha hızlı ve doğru bir şekilde elde etmek için kullanılabilir; Bu nedenle sürekli DLP kürlemesi daha iyi belirlenebilir.

Protokol

1. Teorik hazırlık

1. Üç parametre tanımlayın: sıvı absorbansı (A_l), katı absorbans (A_s) ve eşik süresi (t_T)¹⁷.
2. Denklem 1'e göre bu üç parametre^17'yi kullanarak geleneksel Jacobs çalışma eğrisini yeniden yazın:
   (Denklem 1)
   Burada, t H tek bir katmanın kürlenme süresidir ve_H tek bir katmanın yüksekliğidir.

2. Parametre alımı

1. Sıcaklık kontrolü için bir elemanla donatılmış bir reometre kullanarak biyomürekkebin eşik süresini ölçün.
   1. Reometrenin test platformunu ortaya çıkarmak ve ışık yoğunluğunu belirli bir değerde yapmak için 365 nm'lik bir ışık kaynağı kullanın.
   2. Reometreyi Time-Moduli verilerini 300 saniyelik bir süre boyunca alacak şekilde ayarlayın ve reometre yazılımındaki Zaman Ayarları seçeneklerinden her veri noktasını her 0,3 saniyede bir alın. Testi başlatmak için reometrenin Testi Başlat düğmesine tıklayın ve aynı zamanda ışık kaynağının Başlat Düğmesine tıklayın.
   3. Maruz kalmanın başlangıcından itibaren sayıldığında, depolama modülü verileri kayıp modülü verilerine eşit olduğunda, karşılık gelen süre eşik süresi olarak kabul edilir. Manuel olarak kaydedin.
2. Absorbans test ekipmanını önceki çalışmada gösterildiği gibi inşa edin¹⁷. Halka şeklindeki baskılı yapıyı (5 mm iç çap, 10 mm dış çap) 500μm kalınlığında sıkıştırmak için iki üst ve alt cam slayt kullanın, böylece halkanın iç çemberi bir oda oluşturur. Odayı ışık yoğunluğu ölçerin test alanına yerleştirin ve ışık kaynağını oda alanını açığa çıkaracak şekilde ayarlayın.
   NOT: Şekil 1 , fotoreolojik test sonuçlarının ve veri işleme sonuçlarının şematik diyagramını ve absorbans test ekipmanını göstermektedir.
   1. Test odası, absorbans test ekipmanından malzeme ile doldurulmadığında, test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyarak olay ışık yoğunluğunu (I_i) ölçün.
   2. Test odasını 10 μLof biyomürekkep ile doldurun.
   3. Biyomürekkepli test odasını 365 nm'de UV ışığına maruz bırakın. Test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyarak absorbans test cihazından ışık yoğunluğunu (I_lh) elde edin.
   4. Biyomürekkep kürlendiğinde ışık yoğunluğunu absorbans test ekipmanından (I_sh) elde edin, değer artık değişmediğinde test ekipmanının ışık yoğunluğu ölçerinin ekranını okuyun. Bu değer katı absorbanstır_{, sh.}
   5. Denklem 2 ve 3'ü kullanarak sıvı absorbansını ve katı absorbansını hesaplayın:
           Denklem 2
           Denklem 3
3. Elde edilen parametrelere göre Jacobs çalışma eğrisini elde edin.

Şekil 1: Test sonuçları ve ekipman. (A) Fotoreolojik test sonuçlarının ve veri işleme sonuçlarının şematik diyagramı. (B) Absorbans test cihazları. Bu rakam Li ve ^ark.17'nin izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

3. Sürekli DLP yazdırma parametresi ayarları

1. DLP yazdırmayı ve yazılımdaki yazdırma parametreleri kümesini aşağıdaki gibi elde etmek için DLP yazılımını kullanın.
2. İlk tek katmanın pozlama süresini, yazılımın parametre ayarlarında eşik süresi (t_T) olarak ayarlayın.
   1. Denklem 1'e göre 10 μm kalınlığındaki malzemelerin kürlenmesinin maruz kalma süresini hesaplayın ve tek bir katmanın kürlenmesi için gerçek maruz kalma süresini elde etmek için eşik süresini çıkarın.
3. Bitişik katmanlar arasındaki zaman aralığını yazılımın parametre ayarlarında 0 s'ye ayarlayın.
4. Yazdırma yazılımındaki Başlat düğmesini tıklatarak yazıcıyı başlatın. Yazdırma işlemi sona erdiğinde, yazdırma yazılımındaki Durdur (Stop ) düğmesini tıklatarak yazdırmayı bitirin.

Sonuçlar

Bu makalede, kürleme parametrelerini elde etmek için yeni bir yöntem gösterilmekte ve sürekli DLP baskısı elde etmenin yeni bir yolu tanıtılmakta ve bu yöntemin çalışma eğrisinin belirlenmesindeki etkinliği gösterilmektedir.

Bu makalede tanıtılan yöntemle elde edilen teorik çalışma eğrisinin doğruluğunu doğrulamak için DLP baskıda üç farklı malzeme kullandık. Malzemeler% 20 (v / v) polietilen (glikol) diyakrilat (PEGDA),% 0.5 (w / v) lityum fenil-2,4,6-trimetilb...

Tartışmalar

Bu protokolün kritik adımları bölüm 2'de açıklanmıştır. Fotoreoloji testinde kullanılan ışık yoğunluğu ile baskı ışık yoğunluğunu gerçek testlerde birleştirmek gerekir. Absorbans test ekipmanı en önemli parçadır. Test odasının şekli, ışık yoğunluğu ölçerin ışığa duyarlı alanıyla aynı olmalıdır. Tüm UV ışığına maruz kalma işlemi boyunca sürekli değişen malzemelerin özellikleri nedeniyle, ışık yoğunluğunun değişmeye devam etmesi gerekir⁶

Malzemeler

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