連続デジタル光処理ベースの印刷のための液体感光性バイオインク特性の定量的特性評価

この研究では、温度と材料組成を使用して、降伏応力流体の降伏応力特性を制御します。インクの固体のような状態は印刷構造を保護することができ、液体のような状態は印刷位置を連続的に満たすことができ、非常に柔らかいバイオインクのデジタル光処理3D印刷を実現します。

バイオインクの正確な印刷製造は、組織工学の前提条件です。ジェイコブス作業曲線は、デジタル光処理(DLP)の正確な印刷パラメータを決定するためのツールです。しかし、加工曲線の取得は材料を無駄にし、材料の高い成形性を必要とし、生体材料には適していません。さらに、多重露光による細胞活性の低下と繰り返し位置決めによる構造形成の失敗は、どちらも従来のDLPバイオプリンティングでは避けられない問題です。この作業では、作業曲線を取得する新しい方法と、そのような作業曲線に基づく連続DLP印刷技術の改善プロセスを紹介します。作業曲線を得るこの方法は、生体材料の成形性に依存しない生体材料の吸光度および光レオロジー特性に基づいている。作業曲線を分析して印刷プロセスを改善することから得られる連続DLP印刷プロセスは、印刷効率を10倍以上に向上させ、細胞の活性と機能を大幅に改善し、組織工学の発展に有益です。

組織工学¹ は臓器修復の分野で重要です。臓器提供が不足しているため、肝不全や腎不全などの一部の疾患はうまく治癒できず、多くの患者はタイムリーな治療を受けていません²。臓器に必要な機能を備えたオルガノイドは、臓器提供の不足によって引き起こされる問題を解決する可能性があります。オルガノイドの構築は、バイオプリンティング技術の進歩と発展にかかっています³.

押出型バイオプリンティング⁴およびインクジェット型バイオプリンティング⁵と比較して、デジタル光処理(DLP)バイオプリンティング法の印刷速度および印刷精度はより高い^6,7。押出型法の印刷モジュールは行単位であるが、インクジェット型法の印刷モジュールはドット単位であり、DLPバイオプリンティングの層単位印刷モジュールよりも効率が低い。DLPバイオプリンティングの層を硬化させるための材料の層全体への変調された紫外線(UV)光曝露と画像の特徴サイズがDLP印刷の精度を決定します。これにより、DLPテクノロジーは非常に効率的になります^8,9,10。UV光の過剰硬化のため、硬化時間と印刷サイズの正確な関係は、高精度のDLPバイオプリンティングにとって重要です。さらに、連続DLP印刷は、印刷効率を大幅に向上させることができるDLP印刷方式の修正である¹¹、^12、13。連続DLP印刷では、正確な印刷条件が最も重要な要素です。

硬化時間と印刷サイズの関係はジェイコブス作業曲線と呼ばれ、DLP印刷^{で広く使用されています14}、^15、16。関係を取得するための従来の方法は、材料を一定時間露光し、硬化厚さを測定して、露光時間と硬化厚さに関するデータポイントを取得することです。この操作を少なくとも5回繰り返し、データ点をフィッティングすると、ジェイコブスの作業曲線が得られます。ただし、この方法には明らかな欠点があります。硬化を達成するために多くの材料を消費する必要があり、結果は印刷条件に大きく依存し、DLPバイオプリンティングで使用されるバイオインクは高価で希少であり、バイオインクの成形性は通常良好ではなく、硬化厚さの不正確な測定につながる可能性があります。

本稿は、バイオインクの物性に応じた硬化関係を得るための新しい方法を提供する。この理論を使用すると、連続 DLP 印刷を最適化できます。この方法は、硬化関係をより迅速かつ正確に取得するために使用できます。したがって、連続DLP硬化をより適切に決定できます。

1.理論的準備

1. 液体吸光度(A_l)、固体吸光度(A_s)、および閾値時間(t_T)の3つのパラメータを定義します¹⁷。
2. 従来のジェイコブス作業曲線を、次の3つのパラメータ¹⁷ を使用して式1に従って書き換えます。
   (式1)
   ここで、_tH は1つの単層の硬化時間であり、Hは1つの単層の高さである。

2. パラメータ取得

1. バイオインクの閾値時間は、温度制御用の素子を備えたレオメーターを用いて測定する。
   1. 365 nmの光源を使用して、レオメーターのテストプラットフォームを露出させ、光強度を特定の値にします。
   2. 300秒間の時間 係数 データを取得するようにレオメーターを設定し、レオメーターソフトウェアの 時間設定 オプションを使用して0.3秒ごとに各データポイントを取得します。レオメーターの[テストの開始]ボタンをクリックして テスト を開始すると同時に、光源の [開始]ボタンをクリックします 。
   3. 暴露開始から数えて、貯蔵弾性率データが損失弾性率データと等しい場合、対応する時間が閾値時間として認識される。手動で記録します。
2. 前作業¹⁷で示した吸光度試験装置を構築する。上下2枚のスライドガラスを使用して、リングの内側の円がチャンバーを形成するように、厚さ500μmのリング状の印刷構造(内径5mm、外径10mm)をクランプします。チャンバーを光強度計のテスト領域に置き、チャンバー領域を露出するように光源を設定します。
   注:図1は、光レオロジー試験結果とデータ処理結果の概略 図 、および吸光度試験装置を示しています。
   1. 試験装置の光強度計の表示を読み取って、試験室内に吸光度試験機器からの材料が充填されていない場合の入射光強度(I₎を測定する。
   2. 試験チャンバーに10 μLのバイオインクを充填します。
   3. バイオインクで試験チャンバーを365nmのUV光にさらします。試験装置の光強度計の表示を読み取って吸光度試験用機器から光強度(_ILH)を求める。
   4. 値が変化しなくなったときの試験機器の光強度計の表示を読み取って吸光度試験機器からバイオインクが硬化したときの光強度(_Ish)を求める。この値は固体吸光度であり、_Ishである。
   5. 液体の吸光度と固体の吸光度は、式2と式3を使用して計算します。
           式2
           式3
3. 得られたパラメータに従ってジェイコブス作業曲線を取得します。

図1:テスト結果と機器 。 (A)光レオロジー試験結果とデータ処理結果の模式図。(B)吸光度試験装置。この図は、Li et ^al.17の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3.連続DLP印刷パラメータ設定

1. DLPソフトウェアを使用してDLP印刷を実現し、ソフトウェアの印刷パラメータのセットを次のようにします。
2. 最初の単一レイヤーの露光時間を、ソフトウェアのパラメーター設定でしきい値時間(t_T)として設定します。
   1. 式1に従って厚さ10μmの材料を硬化させる露光時間を計算し、しきい値時間を差し引いて、単層を硬化させるための実際の露光時間を求めます。
3. ソフトウェアのパラメータ設定で、隣接するレイヤー間の時間間隔を0秒に設定します。
4. 印刷ソフトウェアの[ スタート ]ボタンをクリックして、プリンタを起動します。印刷プロセスが終了したら、印刷ソフトウェアの[ 停止 ]ボタンをクリックして印刷を終了します。

この記事では、硬化パラメータを取得する新しい方法を示し、連続DLP印刷を実現する新しい方法を紹介し、作業曲線を決定する際のこの方法の効率を示します。

DLP印刷では3つの異なる材料を使用して、この記事で紹介した方法で得られた理論的な作業曲線の精度を検証しました。材料は、20%(v / v)ポリエチレン(グリコール)ジアクリレート(PEGDA)、0.5%(w / v)フェニル-2,4,6-トリメチルベンゾイルホスフィン酸リチウム(LAP)で、UV吸収剤の濃度が異なる-0.1%(w / v)、0.15%(w / v)、および0.2%(w / v)ブリリアントブルー。理論的な作業曲線を含む実際の硬化厚さデータを 図2に示します。

図2:理論上の作業曲線と実際の印刷データの比較 。 (A)0.1%(w / v)吸収体。(B)0.15%(w / v)吸収剤。(C)0.2%(w / v)吸収剤。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

理論上の作業曲線を使用して、作業曲線を正確に計算できます。材料組成が何であれ、実際の印刷結果と理論結果の高い一致は、方法の有効性を証明しています。

また、従来のDLP印刷方法とこの記事で開発した連続DLP印刷方法の合計印刷時間を比較しました。 図3に示すように、印刷層の厚さが小さいほど、連続DLP印刷効率の向上が明らかになります。硬化効率は10倍以上向上しました。

図3:従来のDLP印刷と連続DLP印刷の効率比較。 この図は、Li et ^al.11の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

理論的な作業曲線の取得は、DLPプロセスを改善し、DLP技術の進歩を促進するために使用できますが、理論的な作業曲線の取得がなければ、新しい印刷方法を正確に制御することは不可能です。さらに、印刷層の厚さが小さいほど、印刷品質が向上するため、この記事で提案する連続DLP印刷方法は、高効率と高忠実度を同時に達成できます。

図4:従来のDLP印刷と連続DLP印刷の印刷結果の比較 。 (A)従来の方法を使用した硬化モデル。(B)当社の連続DLP印刷方式を使用した硬化モデル。この図は、Li et ^al.11の許可を得て修正されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

繰り返し印刷実験を必要とする従来の方法とは異なり、この方法は材料の関連する材料特性をテストするだけで済みます。対応する作業曲線を正確に取得するために必要な材料はごくわずかです。従来の方法は、材料を無駄にするだけでなく、さまざまな露光時間の正確な成形厚さを決定するために測定方法に大きく依存しています。成形性が悪い材料の場合、印刷厚さを正確に取得することが難しいため、作業曲線が不正確になります。

このプロトコルの重要な手順は、セクション2で説明されています。光レオロジー試験で使用する光強度と実際の試験で使用する印刷光強度を統一する必要があります。吸光度試験装置は最も重要な部分です。テストチャンバーの形状は、光強度計の受光面と同じである必要があります。UV光曝露プロセス全体で継続的に変化する材料の特性により、光強度は変化し続ける必要があります⁶.式1における液体吸光度及び固体吸光度の定義によれば、硬化工程が簡略化される。露光開始時のデータを液体吸光度とし、光強度が一定である場合のデータを固体吸光度として取ることが最も重要な操作である。

この方法には、硬化プロセスの単純化という避けられない制限があることは注目に値します。この方法の理論モデリングでは、酸素阻害¹³などの要因を考慮していないため、実際の作業曲線と理論作業曲線の間には誤差があります。また、外乱が大きいと、理論的な作業曲線を正確に研究に利用できません。

ジェイコブス作業曲線を取得する従来の方法では、露光時間の異なる複数の印刷が必要です¹⁵。作業曲線は、露光時間に対応する印刷厚さを測定し、データをフィッティングすることによって得られます。この方法は多くの材料を必要とし、非常に非効率的です。材料の印刷能力は作業曲線の精度を制限し、構造の観察と測定も誤差を増幅します。作業曲線を取得するこの記事の方法は、多くの材料を節約することができ、正確な作業曲線は簡単な材料特性テストによってのみ取得でき、作業曲線の精度は材料の成形性に関係なく保証できます。DLPバイオプリンティング研究では、材料が非常に柔らかい場合(E < 10 kPa)、うまく印刷できず、これは従来の方法で得られた印刷厚さデータに影響を与え、それによって作業曲線^{の精度に影響を与えます18}。このプロトコルで言及された方法は、軟質生体材料のDLP印刷プロセスパラメータを決定するための解決策を提供することができる。

著者は開示するものは何もありません。

著者らは、中国国家自然科学財団(助成金番号12125205、12072316、12132014)および中国ポスドク科学財団(助成金番号2022M712754)による支援に感謝の意を表します。