Caracterización cuantitativa de las propiedades de la biotinta fotosensible líquida para la impresión basada en el procesamiento digital continuo de la luz

Este estudio utiliza la temperatura y la composición del material para controlar las propiedades de límite elástico de los fluidos de límite fluvial. El estado sólido de la tinta puede proteger la estructura de impresión, y el estado líquido puede llenar continuamente la posición de impresión, realizando la impresión 3D de procesamiento de luz digital de biotintas extremadamente suaves.

La fabricación precisa de biotintas es un requisito previo para la ingeniería de tejidos; la curva de trabajo de Jacobs es la herramienta para determinar los parámetros de impresión precisos del procesamiento digital de luz (DLP). Sin embargo, la adquisición de curvas de trabajo desperdicia materiales y requiere una alta conformabilidad de materiales, que no son adecuados para biomateriales. Además, la reducción de la actividad celular debido a exposiciones múltiples y la falla de la formación estructural debido al posicionamiento repetido son problemas inevitables en la bioimpresión DLP convencional. Este trabajo introduce un nuevo método para obtener la curva de trabajo y el proceso de mejora de la tecnología de impresión DLP continua basada en dicha curva de trabajo. Este método de obtención de la curva de trabajo se basa en la absorbancia y las propiedades fotorreológicas de los biomateriales, que no dependen de la conformabilidad de los biomateriales. El proceso de impresión DLP continuo, obtenido al mejorar el proceso de impresión mediante el análisis de la curva de trabajo, aumenta la eficiencia de impresión más de diez veces y mejora en gran medida la actividad y la funcionalidad de las células, lo que es beneficioso para el desarrollo de la ingeniería de tejidos.

La ingeniería de tejidos¹ es importante en el campo de la reparación de órganos. Debido a la falta de donación de órganos, algunas enfermedades, como la insuficiencia hepática y la insuficiencia renal, no se pueden curar bien, y muchos pacientes no reciben tratamiento oportuno². Los organoides con la función requerida de los órganos pueden resolver el problema causado por la falta de donación de órganos. La construcción de organoides depende del progreso y desarrollo de la tecnología de bioimpresión³.

En comparación con la bioimpresión de tipo extrusión⁴ y la bioimpresión de tipo inyección de tinta⁵, la velocidad de impresión y la precisión de impresión del método de bioimpresión de procesamiento digital de luz (DLP) son mayores ^6,7. El módulo de impresión del método de tipo extrusión es línea por línea, mientras que el módulo de impresión del método de tipo inyección de tinta es punto por punto, que es menos eficiente que el módulo de impresión capa por capa de la bioimpresión DLP. La exposición a la luz ultravioleta (UV) modulada a toda una capa de material para curar una capa en la bioimpresión DLP y el tamaño de la característica de la imagen determinan la precisión de la impresión DLP. Esto hace que la tecnología DLP sea muy eficiente ^8,9,10. Debido al sobrecurado de la luz UV, la relación precisa entre el tiempo de curado y el tamaño de impresión es importante para la bioimpresión DLP de alta precisión. Además, la impresión DLP continua es una modificación del método de impresión DLP que puede mejorar en gran medida la eficiencia de impresión^11,12,13. Para la impresión DLP continua, las condiciones de impresión precisas son los factores más importantes.

La relación entre el tiempo de curado y el tamaño de impresión se denomina curva de trabajo de Jacobs, que se utiliza ampliamente en la impresión DLP^14,15,16. El método tradicional para obtener la relación es exponer el material durante un tiempo determinado y medir el espesor de curado para obtener un punto de datos sobre el tiempo de exposición y el espesor de curado. Repitiendo esta operación al menos cinco veces y ajustando los puntos de datos se obtiene la curva de trabajo de Jacobs. Sin embargo, este método tiene desventajas obvias; necesita consumir mucho material para lograr el curado, los resultados dependen en gran medida de las condiciones de impresión, las biotintas utilizadas en la bioimpresión DLP son caras y raras, y la conformabilidad de las biotintas generalmente no es buena, lo que puede conducir a mediciones inexactas del espesor de curado.

Este artículo proporciona un nuevo método para obtener la relación de curado de acuerdo con las propiedades físicas de la biotinta. El uso de esta teoría puede optimizar la impresión DLP continua. Este método se puede utilizar para obtener la relación de curado de forma más rápida y precisa; por lo tanto, el curado continuo de DLP se puede determinar mejor.

1. Preparación teórica

1. Defina tres parámetros: absorbancia líquida (A_l), absorbancia sólida (A_s) y tiempo umbral (t_T)¹⁷.
2. Reescribe la curva de trabajo tradicional de Jacobs usando estos tres parámetros¹⁷ de acuerdo con la Ecuación 1:
   (Ecuación 1)
   Aquí, t H es el tiempo de curado de una sola capa, y_H es la altura de una sola capa.

2. Adquisición de parámetros

1. Mida el tiempo umbral de la biotinta utilizando un reómetro equipado con un elemento para el control de la temperatura.
   1. Utilice una fuente de luz de 365 nm para exponer la plataforma de prueba del reómetro y hacer que la intensidad de la luz tenga un cierto valor.
   2. Configure el reómetro para obtener los datos de los módulos de tiempo durante un período de 300 s y tome cada punto de datos cada 0,3 s a través de las opciones de configuración de tiempo en el software del reómetro. Haga clic en el botón Iniciar prueba del reómetro para iniciar la prueba y, al mismo tiempo, haga clic en el botón Inicio de la fuente de luz.
   3. Contando desde el inicio de la exposición, cuando los datos del módulo de almacenamiento son iguales a los datos del módulo de pérdida, el tiempo correspondiente se reconoce como el tiempo umbral. Grabar manualmente.
2. Construir el equipo de prueba de absorbancia como se muestra en el trabajo anterior¹⁷. Utilice dos guías de vidrio superior e inferior para sujetar la estructura impresa en forma de anillo (5 mm de diámetro interior, 10 mm de diámetro exterior) con un grosor de 500 μm para que el círculo interior del anillo forme una cámara. Coloque la cámara en el área de prueba del medidor de intensidad de luz y configure la fuente de luz para exponer el área de la cámara.
   NOTA: La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de los resultados de las pruebas fotorreológicas y los resultados del procesamiento de datos, y el equipo de prueba de absorbancia.
   1. Mida la intensidad de la luz incidente (I_i) cuando la cámara de prueba no esté llena con material del equipo de prueba de absorbancia leyendo la visualización del medidor de intensidad de luz del equipo de prueba.
   2. Llene la cámara de ensayo con 10 μL de biotinta.
   3. Exponga la cámara de prueba con biotinta a la luz UV a 365 nm. Obtenga la intensidad de la luz (I_lh) del equipo de prueba de absorbancia leyendo la visualización del medidor de intensidad de luz del equipo de prueba.
   4. Obtenga la intensidad de la luz cuando se cura la biotinta (I_sh) del equipo de prueba de absorbancia leyendo la pantalla del medidor de intensidad de luz del equipo de prueba cuando el valor ya no cambie. Este valor es la absorbancia sólida, I_sh.
   5. Calcula la absorbancia líquida y la absorbancia sólida usando las ecuaciones 2 y 3:
           Ecuación 2
           Ecuación 3
3. Obtener la curva de trabajo de Jacobs según los parámetros obtenidos.

Figura 1: Resultados de las pruebas y equipos. (A) Diagrama esquemático de los resultados de las pruebas fotorreológicas y los resultados del procesamiento de datos. (B) Equipo de prueba de absorbancia. Esta cifra ha sido modificada con permiso de Li et ^al.17. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Configuración continua de parámetros de impresión DLP

1. Utilice el software DLP para lograr la impresión DLP y el conjunto de parámetros de impresión en el software de la siguiente manera.
2. Establezca el tiempo de exposición de la primera capa única como el tiempo umbral (t_T) en la configuración de parámetros del software.
   1. Calcule el tiempo de exposición del curado de materiales de 10 μmm de espesor de acuerdo con la Ecuación 1 y reste el tiempo umbral para obtener el tiempo de exposición real para curar una sola capa.
3. Establezca el intervalo de tiempo entre capas adyacentes en 0 s en la configuración de parámetros del software.
4. Inicie la impresora haciendo clic en el botón Inicio del software de impresión. Cuando finalice el proceso de impresión, finalice la impresión haciendo clic en el botón Detener del software de impresión.

Este artículo muestra un nuevo método para obtener parámetros de curado e introduce una nueva forma de lograr la impresión DLP continua, demostrando la eficiencia de este método en la determinación de la curva de trabajo.

Utilizamos tres materiales diferentes en la impresión DLP para verificar la precisión de la curva de trabajo teórica obtenida por el método introducido en este artículo. Los materiales son 20% (v/v) de polietileno (glicol) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p/v) de litio fenil-2,4,6-trimetilbenzoilofinato (LAP) con diferentes concentraciones de absorbente UV-0,1% (p/v), 0,15% (p/v) y 0,2% (p/v) azul brillante. Los datos reales de espesor de curado con las curvas de trabajo teóricas se muestran en la Figura 2.

Figura 2: Comparación entre la curva de trabajo teórica y los datos reales de impresión. (A) Absorbente al 0,1% (p/v). (B) absorbente de 0,15% (p/v). (C) 0,2% (p/v) absorbente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La curva de trabajo teórica se puede utilizar para calcular la curva de trabajo con precisión. No importa cuál sea la composición del material, la alta coincidencia de los resultados de impresión reales y los resultados teóricos demuestran la efectividad del método.

También comparamos el tiempo total de impresión del método de impresión DLP tradicional con el método de impresión DLP continua desarrollado en este artículo. Como se muestra en la figura 3, cuanto menor sea el grosor de la capa de impresión, más obvia será la mejora de la eficiencia de impresión DLP continua. La eficiencia de curado aumentó más de diez veces.

Figura 3: Comparación de eficiencia entre la impresión DLP tradicional y la impresión DLP continua. Esta cifra ha sido modificada con permiso de Li et ^al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La adquisición de la curva de trabajo teórica se puede utilizar para mejorar el proceso DLP y promover el progreso de la tecnología DLP, pero sin la adquisición de la curva de trabajo teórica, es imposible controlar con precisión el nuevo método de impresión. Además, cuanto menor sea el grosor de la capa de impresión, mejor será la calidad de impresión, lo que significa que el método de impresión DLP continua propuesto en este artículo puede lograr simultáneamente una alta eficiencia y una alta fidelidad.

Figura 4: Comparación de los resultados de impresión entre la impresión DLP tradicional y la impresión DLP continua . (A) El modelo curado utilizando el método tradicional. (B) El modelo curado utilizando nuestro método de impresión DLP continua. Esta cifra ha sido modificada con permiso de Li et ^al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A diferencia del método tradicional que requiere experimentos de impresión repetidos, este método solo necesita probar las propiedades relevantes del material. Solo se necesita una cantidad muy pequeña de material para obtener con precisión su curva de trabajo correspondiente. El método tradicional no solo desperdicia material, sino que también se basa en gran medida en métodos de medición para determinar el espesor de moldeo preciso de diferentes tiempos de exposición. Para materiales con poca conformabilidad, es difícil obtener con precisión el grosor de impresión, por lo que la curva de trabajo es inexacta.

Los pasos críticos de este protocolo se describen en la sección 2. Es necesario unificar la intensidad de luz utilizada en la prueba de fotorrología y la intensidad de la luz de impresión en las pruebas reales. El equipo de prueba de absorbancia es la parte más importante. La forma de la cámara de prueba debe ser la misma que el área fotosensible del medidor de intensidad de luz. Debido a las propiedades de los materiales que cambian continuamente durante todo el proceso de exposición a la luz UV, la intensidad de la luz debe continuar cambiando⁶. De acuerdo con la definición de absorbancia líquida y absorbancia sólida en la Ecuación 1, el proceso de curado se simplifica. Tomar los datos al comienzo de la exposición como absorbancia líquida y los datos cuando la intensidad de la luz es constante como absorbancia sólida es la operación más crítica.

Vale la pena señalar que este método tiene una limitación inevitable, que es la simplificación del proceso de curado. Dado que el modelado teórico de este método no considera factores como la inhibición de oxígeno¹³, existen errores entre la curva de trabajo real y la curva de trabajo teórica. Además, si la perturbación externa es grande, la curva de trabajo teórica no se puede utilizar con precisión para la investigación.

El método tradicional para obtener la curva de trabajo de Jacobs requiere múltiples impresiones con diferentes tiempos de exposición¹⁵. La curva de trabajo se obtiene midiendo el grosor de impresión correspondiente al tiempo de exposición y ajustando los datos. Este método requiere mucho material y es muy ineficiente. La capacidad de impresión del material restringe la precisión de la curva de trabajo, y la observación y medición de la estructura también amplifica el error. El método en este artículo para obtener la curva de trabajo puede ahorrar muchos materiales, las curvas de trabajo precisas solo se pueden obtener a través de pruebas simples de propiedades del material, y la precisión de la curva de trabajo se puede garantizar independientemente de la conformabilidad del material. En la investigación de bioimpresión DLP, cuando el material es muy blando (E < 10 kPa) no se puede imprimir bien, y esto afectará los datos de espesor de impresión obtenidos por el método tradicional, afectando así la precisión de la curva de trabajo¹⁸. El método mencionado en este protocolo puede proporcionar una solución para la determinación de los parámetros del proceso de impresión DLP de biomateriales blandos.

Los autores no tienen nada que revelar.

Los autores agradecen el apoyo brindado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 12125205, 12072316, 12132014) y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (Subvención No. 2022M712754).