Caractérisation quantitative des propriétés de bio-encre photosensible liquide pour l’impression numérique continue basée sur le traitement de la lumière

Cette étude utilise la température et la composition des matériaux pour contrôler les propriétés de contrainte d’élasticité des fluides de contrainte d’élasticité. L’état solide de l’encre peut protéger la structure d’impression, et l’état liquide peut continuellement remplir la position d’impression, réalisant le traitement numérique de la lumière 3D d’encres biologiques extrêmement douces.

La fabrication d’impression précise de bio-encres est une condition préalable à l’ingénierie tissulaire; la courbe de travail de Jacobs est l’outil permettant de déterminer les paramètres d’impression précis du traitement numérique de la lumière (DLP). Cependant, l’acquisition de courbes de travail gaspille des matériaux et nécessite une grande formabilité des matériaux, qui ne conviennent pas aux biomatériaux. En outre, la réduction de l’activité cellulaire due à des expositions multiples et l’échec de la formation structurelle dû à des positionnements répétés sont deux problèmes inévitables dans la bio-impression DLP conventionnelle. Ce travail introduit une nouvelle méthode d’obtention de la courbe de travail et le processus d’amélioration de la technologie d’impression DLP continue basée sur une telle courbe de travail. Cette méthode d’obtention de la courbe de travail est basée sur l’absorbance et les propriétés photorhéologiques des biomatériaux, qui ne dépendent pas de la formabilité des biomatériaux. Le processus d’impression DLP continu, obtenu en améliorant le processus d’impression en analysant la courbe de travail, augmente l’efficacité d’impression plus que décupler et améliore considérablement l’activité et la fonctionnalité des cellules, ce qui est bénéfique pour le développement de l’ingénierie tissulaire.

L’ingénierie tissulaire¹ est importante dans le domaine de la réparation d’organes. En raison du manque de don d’organes, certaines maladies, telles que l’insuffisance hépatique et l’insuffisance rénale, ne peuvent pas être bien guéries et de nombreux patients ne reçoivent pas de traitement en temps opportun². Les organoïdes ayant la fonction requise des organes peuvent résoudre le problème causé par le manque de don d’organes. La construction des organoïdes dépend des progrès et du développement de la technologie de bio-impression³.

Par rapport à la bio-impression de type extrusion 4 et à la bioimpression à jet d’encre⁵, la vitesse d’impression et la précision d’impression de la méthode^de bioimpression numérique par traitement de la lumière (DLP) sont plus élevées ^6,7. Le module d’impression de la méthode d’extrusion est ligne par ligne, tandis que le module d’impression de la méthode de type jet d’encre est point par point, ce qui est moins efficace que le module d’impression couche par couche de la bio-impression DLP. L’exposition à la lumière ultraviolette (UV) modulée à une couche entière de matériau pour durcir une couche dans la bio-impression DLP et la taille des caractéristiques de l’image déterminent la précision de l’impression DLP. Cela rend la technologie DLP très efficace ^8,9,10. En raison du surdurcissement de la lumière UV, la relation précise entre le temps de durcissement et la taille d’impression est importante pour la bio-impression DLP de haute précision. En outre, l’impression DLP continue est une modification de la méthode d’impression DLP qui peut grandement améliorer l’efficacité d’impression^11,12,13. Pour l’impression DLP continue, les conditions d’impression précises sont les facteurs les plus importants.

La relation entre le temps de durcissement et la taille d’impression est appelée courbe de travail de Jacobs, qui est largement utilisée dans l’impression DLP^14,15,16. La méthode traditionnelle pour obtenir la relation consiste à exposer le matériau pendant un certain temps et à mesurer l’épaisseur de durcissement pour obtenir un point de données sur le temps d’exposition et l’épaisseur de durcissement. En répétant cette opération au moins cinq fois et en ajustant les points de données, on obtient la courbe de travail de Jacobs. Cependant, cette méthode présente des inconvénients évidents; il doit consommer beaucoup de matériau pour réaliser le durcissement, les résultats dépendent fortement des conditions d’impression, les bio-encres utilisées dans la bio-impression DLP sont chères et rares, et la formabilité des bio-encres n’est généralement pas bonne, ce qui peut conduire à des mesures inexactes de l’épaisseur de durcissement.

Cet article fournit une nouvelle méthode pour obtenir la relation de durcissement en fonction des propriétés physiques de la bio-encre. L’utilisation de cette théorie permet d’optimiser l’impression DLP continue. Cette méthode peut être utilisée pour obtenir la relation de durcissement plus rapidement et avec plus de précision; le durcissement DLP continu peut donc être mieux déterminé.

1. Préparation théorique

1. Définir trois paramètres : absorbance liquide (A_l), absorbance solide (A_s) et temps seuil (t_T)¹⁷.
2. Réécrivez la courbe de travail traditionnelle de Jacobs en utilisant ces trois paramètres¹⁷ selon l’équation 1:
   (Équation 1)
   Ici, t H est le temps de durcissement d’une seule couche, et_H est la hauteur d’une seule couche.

2. Acquisition de paramètres

1. Mesurer le temps seuil de la bio-encre à l’aide d’un rhéomètre équipé d’un élément de contrôle de la température.
   1. Utilisez une source lumineuse de 365 nm pour exposer la plate-forme de test du rhéomètre et augmenter l’intensité lumineuse à une certaine valeur.
   2. Réglez le rhéomètre pour obtenir les données des modules temporels pendant une période de 300 s et prenez chaque point de données toutes les 0,3 s via les options Paramètres temporels du logiciel rhéomètre. Cliquez sur le bouton Démarrer le test du rhéomètre pour démarrer le test , et en même temps, cliquez sur le bouton Démarrer de la source lumineuse.
   3. À compter du début de l’exposition, lorsque les données du module de stockage sont égales aux données du module de perte, le temps correspondant est reconnu comme le temps seuil. Enregistrez manuellement.
2. Construire l’équipement d’essai d’absorbance comme indiqué dans le travail précédent¹⁷. Utilisez deux lames de verre supérieures et inférieures pour serrer la structure imprimée en forme d’anneau (5 mm de diamètre intérieur, 10 mm de diamètre extérieur) d’une épaisseur de 500 μm afin que le cercle intérieur de l’anneau forme une chambre. Placez la chambre sur la zone d’essai du compteur d’intensité lumineuse et réglez la source lumineuse pour exposer la zone de la chambre.
   NOTA : La figure 1 montre le diagramme schématique des résultats des essais photorhéologiques et des résultats du traitement des données, ainsi que l’équipement d’essai d’absorbance.
   1. Mesurer l’intensité lumineuse incidente (I_i) lorsque la chambre d’essai n’est pas remplie de matériau provenant de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’indicateur d’intensité lumineuse de l’équipement d’essai.
   2. Remplir la chambre d’essai avec 10 μL de bio-encre.
   3. Exposer la chambre d’essai avec de la bio-encre à la lumière UV à 365 nm. Obtenir l’intensité lumineuse (I_lh) de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’intensimètre lumineux de l’équipement d’essai.
   4. Obtenir l’intensité lumineuse lorsque la bioencre est durcie (I_sh) de l’équipement d’essai d’absorbance en lisant l’affichage de l’indicateur d’intensité lumineuse de l’équipement d’essai lorsque la valeur ne change plus. Cette valeur est l’absorbance solide, je_sh.
   5. Calculer l’absorbance liquide et l’absorbance solide à l’aide des équations 2 et 3 :
           Équation 2
           Équation 3
3. Obtenir la courbe de travail de Jacobs selon les paramètres obtenus.

Figure 1: Résultats des essais et équipement. (A) Schéma de principe des résultats des essais photorhéologiques et des résultats du traitement des données. B) Équipement d’essai d’absorbance. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Li et ^al.17. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Paramètres d’impression DLP continue

1. Utilisez le logiciel DLP pour obtenir l’impression DLP et l’ensemble des paramètres d’impression dans le logiciel comme suit.
2. Définissez le temps d’exposition de la première couche comme temps seuil (t_T) dans les paramètres du logiciel.
   1. Calculer le temps d’exposition des matériaux de durcissement de 10 μmd d’épaisseur selon l’équation 1 et soustraire le temps seuil pour obtenir le temps d’exposition réel pour durcir une seule couche.
3. Définissez l’intervalle de temps entre les couches adjacentes sur 0 s dans les paramètres du logiciel.
4. Démarrez l’imprimante en cliquant sur le bouton Démarrer dans le logiciel d’impression. Lorsque le processus d’impression se termine, terminez l’impression en cliquant sur le bouton Arrêter dans le logiciel d’impression.

Cet article montre une nouvelle méthode pour obtenir des paramètres de durcissement et introduit une nouvelle façon d’obtenir une impression DLP continue, démontrant l’efficacité de cette méthode dans la détermination de la courbe de travail.

Nous avons utilisé trois matériaux différents dans l’impression DLP pour vérifier la précision de la courbe de travail théorique obtenue par la méthode présentée dans cet article. Les matériaux sont 20% (v / v) de diacrylate de polyéthylène (glycol) (PEGDA), 0,5% (p / v) de phényl-2,4,6-triméthylbenzoylphosphinate de lithium (LAP) avec différentes concentrations d’absorbeur UV-0,1% (p / v), 0,15% (p / v) et 0,2% (p / v) bleu brillant. Les données réelles d’épaisseur de durcissement avec les courbes de travail théoriques sont présentées à la figure 2.

Figure 2: Comparaison entre la courbe de travail théorique et les données d’impression réelles. (A) Absorbeur à 0,1 % (p/v). (B) absorbeur à 0,15 % (p/v). (C) absorbeur à 0,2 % (p/v). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La courbe de travail théorique peut être utilisée pour calculer la courbe de travail avec précision. Quelle que soit la composition du matériau, la forte coïncidence des résultats d’impression réels et des résultats théoriques prouve l’efficacité de la méthode.

Nous avons également comparé le temps d’impression total de la méthode d’impression DLP traditionnelle avec la méthode d’impression DLP continue développée dans cet article. Comme le montre la figure 3, plus l’épaisseur de la couche d’impression est petite, plus l’efficacité de l’impression DLP continue est évidente. L’efficacité de durcissement a plus que décuplé.

Figure 3 : Comparaison de l’efficacité entre l’impression DLP traditionnelle et l’impression DLP continue. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Li et ^al.11. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

L’acquisition de la courbe de travail théorique peut être utilisée pour améliorer le processus DLP et promouvoir les progrès de la technologie DLP, mais sans l’acquisition de la courbe de travail théorique, il est impossible de contrôler avec précision la nouvelle méthode d’impression. De plus, plus l’épaisseur de la couche d’impression est petite, meilleure est la qualité d’impression, ce qui signifie que la méthode d’impression DLP continue proposée dans cet article peut simultanément atteindre une efficacité élevée et une haute fidélité.

Figure 4 : Comparaison des résultats d’impression entre l’impression DLP traditionnelle et l’impression DLP continue. (A) Le modèle durci utilisant la méthode traditionnelle. (B) Le modèle durci à l’aide de notre méthode d’impression DLP continue. Ce chiffre a été modifié avec la permission de Li et ^al.11. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Contrairement à la méthode traditionnelle qui nécessite des expériences d’impression répétées, cette méthode ne nécessite que de tester les propriétés pertinentes du matériau. Seule une très petite quantité de matériau est nécessaire pour obtenir avec précision la courbe de travail correspondante. La méthode traditionnelle non seulement gaspille du matériau, mais repose également fortement sur des méthodes de mesure pour déterminer l’épaisseur de moulage précise de différents temps d’exposition. Pour les matériaux à faible formabilité, il est difficile d’obtenir avec précision l’épaisseur d’impression, de sorte que la courbe de travail est imprécise.

Les étapes critiques de ce protocole sont décrites à la section 2. Il est nécessaire d’unifier l’intensité lumineuse utilisée dans l’essai photorhéologique et l’intensité lumineuse d’impression dans les essais réels. L’équipement de test d’absorbance est la partie la plus importante. La forme de la chambre d’essai doit être la même que la zone photosensible de l’intensimètre lumineux. En raison des propriétés des matériaux qui changent continuellement pendant tout le processus d’exposition à la lumière UV, l’intensité lumineuse doit continuer à changer⁶. Selon la définition de l’absorbance liquide et de l’absorbance solide de l’équation 1, le processus de durcissement est simplifié. Prendre les données au début de l’exposition comme absorbance liquide et les données lorsque l’intensité lumineuse est constante comme absorbance solide est l’opération la plus critique.

Il convient de noter que cette méthode a une limitation inévitable, à savoir la simplification du processus de durcissement. Étant donné que la modélisation théorique de cette méthode ne tient pas compte de facteurs tels que l’inhibition de l’oxygène¹³, il existe des erreurs entre la courbe de travail réelle et la courbe de travail théorique. De plus, si la perturbation externe est importante, la courbe de travail théorique ne peut pas être utilisée avec précision pour la recherche.

La méthode traditionnelle pour obtenir la courbe de travail de Jacobs nécessite des impressions multiples avec des temps d’exposition différents¹⁵. La courbe de travail est obtenue en mesurant l’épaisseur d’impression correspondant au temps d’exposition et en ajustant les données. Cette méthode nécessite beaucoup de matériel et est très inefficace. La capacité d’impression du matériau limite la précision de la courbe de travail, et l’observation et la mesure de la structure amplifient également l’erreur. La méthode décrite dans cet article pour obtenir la courbe de travail peut économiser beaucoup de matériaux, des courbes de travail précises ne peuvent être obtenues que par de simples tests de propriété des matériaux, et la précision de la courbe de travail peut être garantie indépendamment de la formabilité du matériau. Dans la recherche DLP sur la bio-impression, lorsque le matériau est très mou (E < 10 kPa), il ne peut pas être bien imprimé, ce qui affectera les données d’épaisseur d’impression obtenues par la méthode traditionnelle, affectant ainsi la précision de la courbe de travail¹⁸. La méthode mentionnée dans ce protocole peut fournir une solution pour la détermination des paramètres du processus d’impression DLP des biomatériaux mous.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Les auteurs remercient la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention nos 12125205, 12072316 12132014) et la China Postdoctoral Science Foundation (subvention no 2022M712754) pour leur soutien.