Name: Quantitative Characterization of Liquid Photosensitive Bioink Properties for Continuous Digital Light Processing Based Printing (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-04-14T13:30:00
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Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno fornito dalla National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) e dalla China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).

1. Preparazione teorica
<ol><li>Definire tre parametri: assorbanza del liquido (Al), assorbanza solida (As) e tempo di soglia (tT)17.</li>
	<li>Riscrivi la tradizionale curva di lavoro di Jacobs usando questi tre parametri17 secondo l'equazione 1: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65277/65277eq01.jpg" style="margin: auto;">(Equazione 1) Qui, t H è il tempo di polimerizzazione di un singol...

Quantitative Characterization of Bioink Properties for Continuous DLP Printing

<ol>
	<li>Berthiaume, F., Maguire, T. J., Yarmush, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+engineering+and+regenerative+medicine:+history,+progress,+and+challenges.">Tissue engineering and regenerative medicine: history, progress, and challenges.</a> Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2 (1), 403-430 (2011).</li><li>Ng, W. L., Chua, C. K., Shen, Y. -. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Print+me+an+organ!+Why+we+are+not+there+yet.">Print me an organ! Why we are not there yet.</a> Progress in Polymer Science. 97, 101145 (2019).</li><li>Sun, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+bioprinting+roadmap.">The bioprinting roadmap.</a> Biofabrication. 12 (2), 022002 (2020).</li><li>Jiang, T., Munguia-Lopez, J. G., Flores-Torres, S., Kort-Mascort, J., Kinsella, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extrusion+bioprinting+of+soft+materials:+An+emerging+technique+for+biological+model+fabrication.">Extrusion bioprinting of soft materials: An emerging technique for biological model fabrication.</a> Applied Physics Reviews. 6 (1), 011310 (2019).</li><li>Ng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=L.cControlling+droplet+impact+velocity+and+droplet+volume:+Key+factors+to+achieving+high+cell+viability+in+sub-nanoliter+droplet-based+bioprinting.">L.cControlling droplet impact velocity and droplet volume: Key factors to achieving high cell viability in sub-nanoliter droplet-based bioprinting.</a> International Journal of Bioprinting. 8 (1), 424 (2021).</li><li>Yu, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printability+during+projection-based+3D+bioprinting.">Printability during projection-based 3D bioprinting.</a> Bioactive Materials. 11, 254-267 (2022).</li><li>Zhong, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioprinting+of+dual+ECM+scaffolds+encapsulating+limbal+stem/progenitor+cells+in+active+and+quiescent+statuses.">Bioprinting of dual ECM scaffolds encapsulating limbal stem/progenitor cells in active and quiescent statuses.</a> Biofabrication. 13 (4), (2021).</li><li>Huh, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combinations+of+photoinitiator+and+UV+absorber+for+cell-based+digital+light+processing+(DLP)+bioprinting.">Combinations of photoinitiator and UV absorber for cell-based digital light processing (DLP) bioprinting.</a> Biofabrication. 13 (3), (2021).</li><li>Saed, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalized+poly+l-lactic+acid+synthesis+and+optimization+of+process+parameters+for+3D+printing+of+porous+scaffolds+via+digital+light+processing+(DLP)+method.">Functionalized poly l-lactic acid synthesis and optimization of process parameters for 3D printing of porous scaffolds via digital light processing (DLP) method.</a> Journal of Manufacturing Processes. 56, 550-561 (2020).</li><li>Ng, W. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vat+polymerization-based+bioprinting-process,+materials,+applications+and+regulatory+challenges.">Vat polymerization-based bioprinting-process, materials, applications and regulatory challenges.</a> Biofabrication. 12 (2), 022001 (2020).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-fidelity+and+high-efficiency+additive+manufacturing+using+tunable+pre-curing+digital+light+processing.">High-fidelity and high-efficiency additive manufacturing using tunable pre-curing digital light processing.</a> Additive Manufacturing. 30, 100889 (2019).</li><li>Kelly, B. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Volumetric+additive+manufacturing+via+tomographic+reconstruction.">Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.</a> Science. 363 (6431), 1075-1079 (2019).</li><li>Tumbleston, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+liquid+interface+production+of+3D+objects.">Continuous liquid interface production of 3D objects.</a> Science. 347 (6228), 1349-1352 (2015).</li><li>Classens, K., Hafkamp, T., Westbeek, S., Remmers, J. J. C., Weiland, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphysical+modeling+and+optimal+control+of+material+properties+for+photopolymerization+processes.">Multiphysical modeling and optimal control of material properties for photopolymerization processes.</a> Additive Manufacturing. 38, 101520 (2021).</li><li>Gong, H., Beauchamp, M., Perry, S., Woolley, A. T., Nordin, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+approach+to+resin+formulation+for+3D+printed+microfluidics.">Optical approach to resin formulation for 3D printed microfluidics.</a> RSC Advances. 5 (129), 106621-106632 (2015).</li><li>Hofstetter, C., Orman, S., Baudis, S., Stampfl, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+cure+depth+and+cure+degree,+a+new+way+to+fully+characterize+novel+photopolymers.">Combining cure depth and cure degree, a new way to fully characterize novel photopolymers.</a> Additive Manufacturing. 24, 166-172 (2018).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+prediction+and+experimental+validation+of+the+digital+light+processing+(DLP)+working+curve+for+photocurable+materials.">Theoretical prediction and experimental validation of the digital light processing (DLP) working curve for photocurable materials.</a> Additive Manufacturing. 37, 101716 (2021).</li><li>Wang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecularly+cleavable+bioinks+facilitate+high-performance+digital+light+processing-based+bioprinting+of+functional+volumetric+soft+tissues.">Molecularly cleavable bioinks facilitate high-performance digital light processing-based bioprinting of functional volumetric soft tissues.</a> Nature Communications. 13 (1), 3317 (2022).</li></ol>

I passaggi critici di questo protocollo sono descritti nella sezione 2. È necessario unificare l'intensità luminosa utilizzata nel test fotoreologico e l'intensità della luce di stampa nei test effettivi. L'apparecchiatura di prova di assorbanza è la parte più importante. La forma della camera di prova deve essere la stessa dell'area fotosensibile del misuratore di intensità luminosa. A causa delle proprietà dei materiali che cambiano continuamente durante l'intero processo di esposizione alla luce UV, l'intensit?...

L'ingegneria tissutale1 è importante nel campo della riparazione degli organi. A causa della mancanza di donazione di organi, alcune malattie, come l'insufficienza epatica e l'insufficienza renale, non possono essere curate bene e molti pazienti non ricevono un trattamento tempestivo2. Gli organoidi con la funzione richiesta degli organi possono risolvere il problema causato dalla mancanza di donazione di organi. La costruzione di organoidi dipende dal progresso e dallo sviluppo della tecnologia di bioprinting3.
Rispetto al bioprinting di tipo estruso4 e al bioprinting a getto d'inchiostro5, la velocità di stampa e la precisione di stampa del metodo di bioprinting DLP (Digital Light Processing) sono superioria 6,7. Il modulo di stampa del metodo di estrusione è riga per riga, mentre il modulo di stampa del metodo a getto d'inchiostro è punto per punto, che è meno efficiente del modulo di stampa strato per strato del bioprinting DLP. L'esposizione modulata alla luce ultravioletta (UV) a un intero strato di materiale per polimerizzare uno strato nel bioprinting DLP e la dimensione della caratteristica dell'immagine determinano l'accuratezza della stampa DLP. Questo rende la tecnologia DLP molto efficiente 8,9,10. A causa dell'eccessiva polimerizzazione della luce UV, la relazione precisa tra il tempo di polimerizzazione e le dimensioni di stampa è importante per il bioprinting DLP ad alta precisione. Inoltre, la stampa DLP continua è una modifica del metodo di stampa DLP che può migliorare notevolmente l'efficienza di stampa11,12,13. Per la stampa DLP continua, le condizioni di stampa precise sono i fattori più importanti.
La relazione tra il tempo di polimerizzazione e le dimensioni di stampa è chiamata curva di lavoro di Jacobs, ampiamente utilizzata nella stampa DLP14,15,16. Il metodo tradizionale per ottenere la relazione è quello di esporre il materiale per un certo tempo e misurare lo spessore di polimerizzazione per ottenere un punto dati sul tempo di esposizione e sullo spessore di polimerizzazione. Ripetendo questa operazione almeno cinque volte e adattando i punti dati si ottiene la curva di lavoro di Jacobs. Tuttavia, questo metodo presenta evidenti svantaggi; ha bisogno di consumare molto materiale per ottenere la polimerizzazione, i risultati dipendono fortemente dalle condizioni di stampa, i bioink utilizzati nel bioprinting DLP sono costosi e rari e la formabilità dei bioink di solito non è buona, il che può portare a misurazioni imprecise dello spessore di polimerizzazione.
Questo articolo fornisce un nuovo metodo per ottenere la relazione di polimerizzazione in base alle proprietà fisiche del bioink. L'utilizzo di questa teoria consente di ottimizzare la stampa DLP continua. Questo metodo può essere utilizzato per ottenere la relazione di polimerizzazione in modo più rapido e accurato; la polimerizzazione continua DLP può quindi essere meglio determinata.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Brilliant Blue</td>
			<td>Aladdin (Shanghai, China).</td>
			<td>6104-59-2&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DLP software</td>
			<td>Creation Workshop</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate</td>
			<td></td>
			<td>N/A</td>
			<td>LAP; synthesized</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light source</td>
			<td>OmniCure</td>
			<td>https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems</td>
			<td>365 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene (glycol) diacrylate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>455008</td>
			<td>PEGDA Mw ~700</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheometer&#160;</td>
			<td>Anton Paar, Austria</td>
			<td>MCR302</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantitative characterization of liquid photosensitive bioink properties for continuous digital light processing based printing

La fabbricazione precisa di bioink di stampa è un prerequisito per l'ingegneria tissutale; la curva di lavoro di Jacobs è lo strumento per determinare i parametri di stampa precisi dell'elaborazione della luce digitale (DLP). Tuttavia, l'acquisizione di curve di lavoro spreca materiali e richiede un'elevata formabilità di materiali, che non sono adatti per i biomateriali. Inoltre, la riduzione dell'attività cellulare dovuta a esposizioni multiple e il fallimento della formazione strutturale a causa del posizionamento ripetuto sono entrambi problemi inevitabili nel bioprinting DLP convenzionale. Questo lavoro introduce un nuovo metodo per ottenere la curva di lavoro e il processo di miglioramento della tecnologia di stampa DLP continua basata su tale curva di lavoro. Questo metodo per ottenere la curva di lavoro si basa sull'assorbanza e sulle proprietà fotoreologiche dei biomateriali, che non dipendono dalla formabilità dei biomateriali. Il processo di stampa DLP continuo, ottenuto migliorando il processo di stampa analizzando la curva di lavoro, aumenta l'efficienza di stampa più di dieci volte e migliora notevolmente l'attività e la funzionalità delle cellule, il che è vantaggioso per lo sviluppo dell'ingegneria tissutale.

Quantitative Characterization of Liquid Photosensitive Bioink Properties for Continuous Digital Light Processing Based Printing

Questo articolo mostra un nuovo metodo per ottenere i parametri di polimerizzazione e introduce un nuovo modo per ottenere la stampa DLP continua, dimostrando l'efficienza di questo metodo nel determinare la curva di lavoro.
Abbiamo utilizzato tre diversi materiali nella stampa DLP per verificare l'accuratezza della curva di lavoro teorica ottenuta con il metodo introdotto in questo articolo. I materiali sono 20% (v / v) polietilene (glicole) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p / v) litio fenil-2,4,6-...

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Questo studio utilizza la temperatura e la composizione del materiale per controllare le proprietà di tensione di snervamento dei fluidi da sforzo di snervamento. Lo stato solido dell'inchiostro può proteggere la struttura di stampa e lo stato liquido può riempire continuamente la posizione di stampa, realizzando la stampa 3D di bioink estremamente morbidi.

Caratterizzazione quantitativa delle proprietà del bioink fotosensibile liquido per la stampa basata sull'elaborazione continua della luce digitale

Precise printing fabrication of bioinks is a prerequisite for tissue engineering; the Jacobs working curve is the tool to determine the precise printing ...

La mia ricerca riguarda principalmente la biostampa 3D DLP e l'ingegneria tissutale. Cerchiamo di ottimizzare e migliorare il processo di stampa DLP e la teoria delle formule, in modo che lo scaffold di ingegneria tissutale stampata possa soddisfare meglio le reali esigenze di applicazione clinica. Le condizioni di stampa dei materiali fotopolimerizzabili esistenti si basano su esperimenti manuali e sono ottenute alimentando i dati di più esperimenti in esecuzione.Tali esperimenti sprecano materiale e riducono l'efficienza di stampa. Ho costruito una curva di lavoro teorica e determinato le piramidi di stampa DLP solo in base alle proprietà fisiche del materiale. Dynamics sia il miglior concetto che viene proposto per essere applicato nella stampa DLP per realizzare il formato DLP di strutture dimensionali complesse di materiali estremamente morbidi.Questo metodo può migliorare l'efficienza della determinazione delle condizioni di stampa dei materiali fotopolimerizzabili. Questa tecnologia può fornire supporto tecnico per la ricerca e lo sviluppo di materiali fotopolimerizzabili e la stampa accurata di questi materiali.