Caracterização quantitativa das propriedades da biotinta fotossensível líquida para impressão baseada em processamento contínuo de luz

Este estudo utiliza a temperatura e a composição do material para controlar as propriedades de tensão de escoamento de fluidos de tensão de escoamento. O estado sólido da tinta pode proteger a estrutura de impressão, e o estado líquido pode preencher continuamente a posição de impressão, realizando o processamento digital de luz impressão 3D de biotintas extremamente macias.

A fabricação precisa de biotintas por impressão é um pré-requisito para a engenharia de tecidos; a curva de trabalho de Jacobs é a ferramenta para determinar os parâmetros de impressão precisos do processamento digital de luz (DLP). No entanto, a aquisição de curvas de trabalho desperdiça materiais e requer alta conformabilidade de materiais, que não são adequados para biomateriais. Além disso, a redução da atividade celular devido a múltiplas exposições e a falha na formação estrutural devido ao posicionamento repetido são problemas inevitáveis na bioimpressão convencional de DLP. Este trabalho introduz um novo método de obtenção da curva de trabalho e o processo de melhoria da tecnologia de impressão contínua DLP baseada nesta curva de trabalho. Este método de obtenção da curva de trabalho baseia-se na absorbância e nas propriedades fotorreológicas dos biomateriais, que não dependem da conformabilidade dos biomateriais. O processo de impressão DLP contínua, obtido a partir da melhoria do processo de impressão através da análise da curva de trabalho, aumenta a eficiência de impressão em mais de dez vezes e melhora consideravelmente a atividade e a funcionalidade das células, o que é benéfico para o desenvolvimento da engenharia de tecidos.

A engenharia tecidual¹ é importante no campo do reparo de órgãos. Devido à falta de doação de órgãos, algumas doenças, como insuficiência hepática e insuficiência renal, não têm cura e muitos pacientes não recebem tratamento em tempo hábil². Organoides com a função necessária dos órgãos podem resolver o problema causado pela falta de doação de órgãos. A construção de organoides depende do progresso e desenvolvimento da tecnologia de bioimpressão³.

Em comparação com a bioimpressão do tipo extrusão⁴ e a bioimpressão do tipo jato de tinta⁵, a velocidade de impressão e a precisão de impressão do método de bioimpressão digital de processamento de luz (DLP) são maiores ^6,7. O módulo de impressão do método do tipo extrusão é linha por linha, enquanto o módulo de impressão do método do tipo jato de tinta é ponto a ponto, o que é menos eficiente do que o módulo de impressão camada por camada da bioimpressão DLP. A exposição modulada à luz ultravioleta (UV) a uma camada inteira de material para curar uma camada na bioimpressão DLP e o tamanho da característica da imagem determinam a precisão da impressão DLP. Isso torna a tecnologia DLP muito eficiente ^8,9,10. Devido à cura excessiva da luz UV, a relação precisa entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é importante para a bioimpressão DLP de alta precisão. Além disso, a impressão DLP contínua é uma modificação do método de impressão DLP que pode melhorar muito a eficiência de impressão^11,12,13. Para impressão DLP contínua, as condições de impressão precisas são os fatores mais importantes.

A relação entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é chamada de curva de trabalho de Jacobs, que é amplamente utilizada na impressão DLP^14,15,16. O método tradicional para obter a relação é expor o material por um determinado tempo e medir a espessura de cura para obter um ponto de dados sobre o tempo de exposição e espessura de cura. Repetindo essa operação pelo menos cinco vezes e ajustando os pontos de dados obtém-se a curva de trabalho de Jacobs. No entanto, este método tem desvantagens óbvias; ele precisa consumir muito material para conseguir a cura, os resultados são altamente dependentes das condições de impressão, as biotintas usadas na bioimpressão DLP são caras e raras, e a formabilidade das biotintas geralmente não é boa, o que pode levar a medições imprecisas da espessura de cura.

Este artigo fornece um novo método para obter a relação de cura de acordo com as propriedades físicas da biotinta. O uso dessa teoria pode otimizar a impressão contínua de DLP. Este método pode ser utilizado para obter a relação de cura de forma mais rápida e precisa; a cura contínua de DLP pode, portanto, ser melhor determinada.

1. Preparação teórica

1. Definir três_parâmetros: absorbância líquida (A_l), absorbância sólida (A s) e tempo limite (t_T)¹⁷.
2. Reescreva a curva de trabalho tradicional de Jacobs usando estes três parâmetros¹⁷ de acordo com a Equação 1:
   (Equação 1)
   Aqui, t H é o tempo de cura de uma única camada, e_H é a altura de uma única camada.

2. Aquisição de parâmetros

1. Meça o tempo limite da biotinta usando um reômetro equipado com um elemento para controle de temperatura.
   1. Use uma fonte de luz de 365 nm para expor a plataforma de teste do reômetro e fazer a intensidade da luz em um determinado valor.
   2. Defina o reômetro para obter os dados Time-Moduli durante um período de 300 s e pegue cada ponto de dados a cada 0,3 s através das opções de Configurações de Tempo no software do reômetro. Clique no botão Iniciar teste do reômetro para iniciar o teste e, ao mesmo tempo, clique no botão Iniciar da fonte de luz.
   3. Contando a partir do início da exposição, quando os dados do módulo de armazenamento são iguais aos dados do módulo de perda, o tempo correspondente é reconhecido como o tempo limite. Grave manualmente.
2. Construir o equipamento de teste de absorbância como mostrado no trabalho anterior¹⁷. Use duas lâminas de vidro superior e inferior para prender a estrutura impressa em forma de anel (5 mm de diâmetro interno, 10 mm de diâmetro externo) com uma espessura de 500μm de modo que o círculo interno do anel forme uma câmara. Coloque a câmara na área de ensaio do medidor de intensidade luminosa e ajuste a fonte de luz para expor a área da câmara.
   NOTA: A Figura 1 mostra o diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento de dados, bem como o equipamento de ensaio de absorbância.
   1. Medir a intensidade luminosa incidente_(I) quando a câmara de ensaio não estiver cheia de material do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
   2. Encher a câmara de ensaio com 10 μLof de biotinta.
   3. Expor a câmara de ensaio com biotinta à luz UV a 365 nm. Obter a intensidade luminosa (I_lh) do equipamento de ensaio de absorbância através da leitura do visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
   4. Obter a intensidade luminosa quando a biotinta for curada (I_sh) a partir do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio quando o valor deixar de existir. Esse valor é a absorvância sólida, eu_sh.
   5. Calcular a absorbância líquida e a absorbância sólida utilizando as equações 2 e 3:
           Equação 2
           Equação 3
3. Obter a curva de trabalho de Jacobs de acordo com os parâmetros obtidos.

Figura 1: Resultados dos testes e equipamentos . (A) Diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento dos dados. (B) Equipamento de ensaio de absorbância. Esse valor foi modificado com permissão de Li et ^al.17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Configurações de parâmetros de impressão DLP contínua

1. Use o software DLP para obter impressão DLP e o conjunto de parâmetros de impressão no software da seguinte maneira.
2. Defina o tempo de exposição da primeira camada única como o tempo limite (t_T) nas configurações de parâmetros do software.
   1. Calcular o tempo de exposição dos materiais de cura de 10 μm, de acordo com a Equação 1, e subtrair o tempo limite para obter o tempo real de exposição para a cura de uma única camada.
3. Defina o intervalo de tempo entre as camadas adjacentes como 0 s nas configurações de parâmetros do software.
4. Inicie a impressora clicando no botão Iniciar no software de impressão. Quando o processo de impressão terminar, conclua a impressão clicando no botão Parar no software de impressão.

Este artigo mostra um novo método para obtenção de parâmetros de cura e introduz uma nova forma de se obter impressão contínua de DLP, demonstrando a eficiência deste método na determinação da curva de trabalho.

Foram utilizados três materiais diferentes na impressão DLP para verificar a exatidão da curva de trabalho teórica obtida pelo método introduzido neste artigo. Os materiais são 20% (v/v) de polietileno (glicol) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p/v) de lítio fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinato (LAP) com diferentes concentrações de absorvedor de UV - 0,1% (p/v), 0,15% (p/v) e 0,2% (p/v) azul brilhante. Os dados reais de espessura de cura com as curvas teóricas de trabalho são mostrados na Figura 2.

Figura 2: Comparação entre a curva de trabalho teórica e os dados reais de impressão. (A) absorvedor de 0,1% (p/v). (B) absorvedor de 0,15% (p/v). (C) absorvedor de 0,2% (p/v). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A curva de trabalho teórica pode ser usada para calcular a curva de trabalho com precisão. Não importa qual seja a composição do material, a alta coincidência dos resultados reais de impressão e os resultados teóricos comprovam a eficácia do método.

Também comparamos o tempo total de impressão do método de impressão DLP tradicional com o método de impressão DLP contínuo desenvolvido neste artigo. Como mostrado na Figura 3, quanto menor a espessura da camada de impressão, mais óbvia é a melhoria da eficiência de impressão DLP contínua. A eficiência de cura aumentou mais de dez vezes.

Figura 3: Comparação de eficiência entre a impressão DLP tradicional e a impressão DLP contínua. Esse valor foi modificado com permissão de Li et ^al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A aquisição da curva de trabalho teórica pode ser usada para melhorar o processo de DLP e promover o progresso da tecnologia DLP, mas sem a aquisição da curva de trabalho teórica, é impossível controlar com precisão o novo método de impressão. Além disso, quanto menor a espessura da camada de impressão, melhor a qualidade de impressão, o que significa que o método de impressão DLP contínuo proposto neste artigo pode alcançar simultaneamente alta eficiência e alta fidelidade.

Figura 4: Comparação dos resultados de impressão entre a impressão DLP tradicional e a impressão DLP contínua . (A) O modelo curado utilizando o método tradicional. (B) O modelo curado usando nosso método de impressão DLP contínua. Esse valor foi modificado com permissão de Li et ^al.11. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Ao contrário do método tradicional que requer experimentos de impressão repetidos, este método só precisa testar as propriedades relevantes do material. Apenas uma quantidade muito pequena de material é necessária para obter com precisão sua curva de trabalho correspondente. O método tradicional não apenas desperdiça material, mas também depende fortemente de métodos de medição para determinar a espessura de moldagem precisa de diferentes tempos de exposição. Para materiais com pouca conformabilidade, é difícil obter com precisão a espessura de impressão, por isso a curva de trabalho é imprecisa.

As etapas críticas deste protocolo estão descritas na seção 2. É necessário unificar a intensidade luminosa utilizada no ensaio fotorreológico e a intensidade luminosa de impressão nos ensaios propriamente ditos. O equipamento de teste de absorbância é a parte mais importante. A forma da câmara de ensaio deve ser a mesma que a área fotossensível do medidor de intensidade luminosa. Devido às propriedades dos materiais que mudam continuamente durante todo o processo de exposição à luz UV, a intensidade da luz precisa continuar a mudar⁶. De acordo com a definição de absorbância líquida e absorvância sólida na Equação 1, o processo de cura é simplificado. Tomar os dados no início da exposição como absorvância líquida e os dados quando a intensidade da luz é constante como a absorbância sólida é a operação mais crítica.

Vale ressaltar que esse método tem uma limitação inevitável, que é a simplificação do processo de cura. Como a modelagem teórica desse método não considera fatores como a inibição de oxigênio¹³, há erros entre a curva de trabalho real e a curva de trabalho teórica. Além disso, se a perturbação externa é grande, a curva de trabalho teórica não pode ser usada com precisão para pesquisa.

O método tradicional para obtenção da curva de trabalho de Jacobs requer múltiplas impressões com diferentes tempos de exposição¹⁵. A curva de trabalho é obtida medindo-se a espessura de impressão correspondente ao tempo de exposição e ajustando-se os dados. Este método requer muito material e é muito ineficiente. A capacidade de impressão do material restringe a precisão da curva de trabalho, e a observação e a medição da estrutura também amplificam o erro. O método neste artigo para obter a curva de trabalho pode economizar muitos materiais, curvas de trabalho precisas podem ser obtidas apenas através de testes de propriedades de material simples, e a precisão da curva de trabalho pode ser garantida independentemente da formabilidade do material. Na pesquisa de bioimpressão DLP, quando o material é muito macio (E < 10 kPa) ele não pode ser bem impresso, e isso afetará os dados de espessura de impressão obtidos pelo método tradicional, afetando a precisão da curva de trabalho¹⁸. O método mencionado neste protocolo pode fornecer uma solução para a determinação dos parâmetros do processo de impressão DLP de biomateriais moles.

Os autores não têm nada a revelar.

Os autores agradecem o apoio fornecido pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant Nos. 12125205, 12072316, 12132014) e pela China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2022M712754).