Количественная характеристика свойств жидких фоточувствительных биочернил для непрерывной цифровой обработки света

В этом исследовании используются температура и состав материала для контроля свойств предела текучести жидкостей с пределом текучести. Твердое состояние чернил может защитить структуру печати, а жидкое состояние может непрерывно заполнять позицию печати, реализуя 3D-печать чрезвычайно мягких биочернил с цифровой обработкой света.

Точная печать биочернил является необходимым условием для тканевой инженерии; Рабочая кривая Джейкобса является инструментом для определения точных параметров печати цифровой обработки света (DLP). Однако приобретение рабочих кривых отходов и требует высокой формуемости материалов, которые не подходят для биоматериалов. Кроме того, снижение активности клеток из-за многократного воздействия и разрушение структурного формирования из-за повторного позиционирования являются неизбежными проблемами в традиционной биопечати DLP. В данной работе представлен новый метод получения рабочей кривой и процесс совершенствования технологии непрерывной DLP-печати на основе такой рабочей кривой. Этот метод получения рабочей кривой основан на поглощающих и фотореологических свойствах биоматериалов, которые не зависят от формуемости биоматериалов. Непрерывный процесс DLP-печати, полученный в результате улучшения процесса печати путем анализа рабочей кривой, увеличивает эффективность печати более чем в десять раз и значительно улучшает активность и функциональность клеток, что полезно для развития тканевой инженерии.

Тканевая инженерия¹ важна в области восстановления органов. Из-за отсутствия донорства органов некоторые заболевания, такие как печеночная недостаточность и почечная недостаточность, не могут быть хорошо излечены, и многие пациенты не получают своевременного лечения². Органоиды с требуемой функцией органов могут решить проблему, вызванную отсутствием донорства органов. Построение органоидов зависит от прогресса и развития технологии биопечати³.

По сравнению с биопечатью экструзионного типа⁴ и биопечатью^{струйного типа 5} скорость печати и точность печати методом биопечати цифровой световой обработкой (DLP) выше ^6,7. Модуль печати экструзионного метода является построчным по строчному, в то время как модуль печати струйного метода является точечным, что менее эффективно, чем модуль послойной печати биопечати DLP. Воздействие модулированного ультрафиолетового (УФ) света на целый слой материала для отверждения слоя в биопечати DLP и размер элемента изображения определяют точность DLP-печати. Это делает технологию DLP очень эффективной ^8,9,10. Из-за чрезмерного отверждения ультрафиолетового излучения точное соотношение между временем отверждения и размером печати важно для высокоточной биопечати DLP. Кроме того, непрерывная DLP-печать является модификацией метода DLP-печати, которая может значительно повысить эффективность печати^11,12,13. Для непрерывной DLP-печати наиболее важными факторами являются точные условия печати.

Взаимосвязь между временем отверждения и размером печати называется рабочей кривой Джейкобса, которая широко используется в DLP-печати^14,15,16. Традиционный метод получения соотношения состоит в том, чтобы экспонировать материал в течение определенного времени и измерять толщину отверждения, чтобы получить данные о времени выдержки и толщине отверждения. Повторив эту операцию не менее пяти раз и подгонив точки данных, мы получим рабочую кривую Джейкобса. Однако у этого метода есть очевидные недостатки; для отверждения необходимо потреблять много материала, результаты сильно зависят от условий печати, биочернила, используемые в биопечати DLP, дороги и редки, а формуемость биочернил обычно не очень хорошая, что может привести к неточным измерениям толщины отверждения.

В этой статье представлен новый метод получения соотношения отверждения в соответствии с физическими свойствами биочернил. Используя эту теорию, можно оптимизировать непрерывную DLP-печать. Этот метод может быть использован для более быстрого и точного получения соотношения отверждения; Таким образом, непрерывное отверждение DLP может быть лучше определено.

1. Теоретическая подготовка

1. Определите три параметра: поглощение жидкости (A_l), поглощение твердого вещества (A_s) и пороговое время (t_T)¹⁷.
2. Перепишем традиционную рабочую кривую Джейкобса, используя эти три параметра¹⁷ в соответствии с уравнением 1:
   (Уравнение 1)
   Здесь t H — время отверждения одного слоя, а_H — высота одного слоя.

2. Сбор параметров

1. Измерьте пороговое время биочернил с помощью реометра, оснащенного элементом для контроля температуры.
   1. Используйте источник света с длиной волны 365 нм, чтобы экспонировать испытательную платформу реометра и установить интенсивность света на определенном значении.
   2. Настройте реометр на получение данных Time-Moduli в течение 300 с и снимайте каждую точку данных каждые 0,3 с с помощью параметров настроек времени в программном обеспечении реометра. Нажмите кнопку «Начать тест» на реометре, чтобы начать тест , и в то же время нажмите кнопку «Пуск » источника света.
   3. Считая с начала воздействия, когда данные модуля хранения равны данным модуля потерь, соответствующее время признается пороговым временем. Запись вручную.
2. Постройте оборудование для испытаний на поглощение, как показано в предыдущей работе¹⁷. Используйте два верхних и нижних предметных стекла, чтобы зажать кольцеобразную печатную конструкцию (внутренний диаметр 5 мм, внешний диаметр 10 мм) толщиной 500 мкм, чтобы внутренний круг кольца образовывал камеру. Поместите камеру на испытательную зону измерителя интенсивности света и установите источник света так, чтобы он экспонировал область камеры.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показана принципиальная схема результатов фотореологических испытаний и результатов обработки данных, а также оборудование для испытаний на поглощение.
   1. Измерьте интенсивность падающего света (I_i), когда испытательная камера не заполнена материалом из оборудования для испытания на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования.
   2. Заполните испытательную камеру биочернилами объемом 10 мкл.
   3. Подвергните испытательную камеру с биочернилами ультрафиолетовому излучению с длиной волны 365 нм. Получите интенсивность света (I_lh) от оборудования для испытания на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования.
   4. Получите интенсивность света при отверждении биочернил (I_sh) из оборудования для испытаний на поглощение, считывая показания с дисплея измерителя интенсивности света испытательного оборудования, когда значение больше не изменяется. Эта величина и есть поглощение твердого вещества, I_sh.
   5. Рассчитайте поглощение жидкости и поглощение твердого вещества, используя уравнения 2 и 3:
           Уравнение 2
           Уравнение 3
3. Получите рабочую кривую Джейкобса в соответствии с полученными параметрами.

Рисунок 1: Результаты испытаний и оборудование. (А) Принципиальная схема результатов фотореологических испытаний и результатов обработки данных. b) оборудование для испытания на абсорбцию. Эта цифра была изменена с разрешения Li et ^al.17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

3. Настройки параметров непрерывной DLP-печати

1. Используйте программное обеспечение DLP для достижения DLP-печати и набор параметров печати в программном обеспечении следующим образом.
2. Установите время экспозиции первого отдельного слоя в качестве порогового времени (t_T) в настройках параметров программного обеспечения.
   1. Рассчитайте время выдержки отверждения материалов толщиной 10 мкм в соответствии с уравнением 1 и вычтите пороговое время, чтобы получить реальное время выдержки для отверждения одного слоя.
3. Установите временной интервал между соседними слоями равным 0 с в настройках параметров программы.
4. Запустите принтер, нажав кнопку «Пуск » в программном обеспечении для печати. Когда процесс печати завершится, завершите печать, нажав кнопку «Стоп» в программном обеспечении для печати.

В данной статье показан новый метод получения параметров отверждения и представлен новый способ достижения непрерывной DLP-печати, демонстрирующий эффективность этого метода при определении рабочей кривой.

Мы использовали три разных материала в DLP-печати для проверки точности теоретической рабочей кривой, полученной методом, представленным в этой статье. Материалы представляют собой 20% (об. / об.) диакрилат полиэтилена (гликоля) (PEGDA), 0,5% (мас. / об.) фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфината лития (LAP) с различной концентрацией УФ-поглотителя - 0,1% (мас. / об.), 0,15% (мас. / об.) и 0,2% (мас. / об.) бриллиантового синего. Реальные данные о толщине отверждения с теоретическими рабочими кривыми показаны на рисунке 2.

Рисунок 2: Сравнение теоретической рабочей кривой с фактическими данными печати . (А) 0,1% (мас./об.) поглотитель. (B) 0,15% (мас./об.) поглотитель. (C) 0,2% (мас./об.) поглотитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Теоретическая рабочая кривая может быть использована для точного расчета рабочей кривой. Независимо от состава материала, высокое совпадение фактических результатов печати и теоретических результатов доказывает эффективность метода.

Мы также сравнили общее время печати традиционного метода DLP-печати с методом непрерывной DLP-печати, разработанным в этой статье. Как показано на рисунке 3, чем меньше толщина печатного слоя, тем очевиднее повышение эффективности непрерывной DLP-печати. Эффективность отверждения увеличилась более чем в десять раз.

Рисунок 3: Сравнение эффективности традиционной DLP-печати и непрерывной DLP-печати. Эта цифра была изменена с разрешения Li et ^al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Получение теоретической рабочей кривой может быть использовано для улучшения процесса DLP и содействия прогрессу технологии DLP, но без приобретения теоретической рабочей кривой невозможно точно контролировать новый метод печати. Кроме того, чем меньше толщина печатного слоя, тем лучше качество печати, а это означает, что метод непрерывной DLP-печати, предложенный в этой статье, может одновременно достичь высокой эффективности и высокой точности.

Рисунок 4: Сравнение результатов печати между традиционной DLP-печатью и непрерывной DLP-печатью . (A) Отвержденная модель с использованием традиционного метода. (B) Отвержденная модель с использованием нашего метода непрерывной DLP-печати. Эта цифра была изменена с разрешения Li et ^al.11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В отличие от традиционного метода, который требует повторных экспериментов с печатью, этот метод требует только проверки соответствующих свойств материала. Для точного получения соответствующей рабочей кривой требуется лишь очень небольшое количество материала. Традиционный метод не только тратит материал, но и в значительной степени полагается на методы измерения для определения точной толщины формования при различном времени выдержки. Для материалов с плохой формуемостью трудно точно получить толщину печати, поэтому рабочая кривая неточна.

Важнейшие этапы этого протокола описаны в разделе 2. Необходимо унифицировать интенсивность света, используемую в фотореологическом тесте, и интенсивность печатного света в фактических тестах. Оборудование для испытаний на поглощение является наиболее важной частью. Форма испытательной камеры должна совпадать со светочувствительной областью измерителя интенсивности света. Из-за свойств материалов, которые непрерывно изменяются в течение всего процесса воздействия ультрафиолетового излучения, интенсивность света должна продолжать меняться⁶. В соответствии с определением поглощения жидкости и поглощения твердого вещества в уравнении 1 процесс отверждения упрощается. Получение данных в начале экспозиции как поглощение жидкости и данных, когда интенсивность света постоянна, как поглощение твердого вещества, является наиболее важной операцией.

Стоит отметить, что этот метод имеет неизбежное ограничение, которое заключается в упрощении процесса отверждения. Поскольку теоретическое моделирование этого метода не учитывает такие факторы, как ингибирование^{кислорода 13}, существуют ошибки между фактической рабочей кривой и теоретической рабочей кривой. Кроме того, если внешнее возмущение велико, теоретическая рабочая кривая не может быть точно использована для исследования.

Традиционный метод получения рабочей кривой Джейкобса требует многократной печати с разным временем выдержки¹⁵. Рабочая кривая получается путем измерения толщины печати, соответствующей времени выдержки, и подгонки данных. Этот метод требует много материала и очень неэффективен. Печатная способность материала ограничивает точность рабочей кривой, а наблюдение и измерение структуры также усиливают погрешность. Описанный в этой статье метод получения рабочей кривой может сэкономить много материалов, точные рабочие кривые могут быть получены только с помощью простых тестов свойств материала, а точность рабочей кривой может быть гарантирована независимо от формуемости материала. В исследованиях биопечати DLP, когда материал очень мягкий (E < 10 кПа), он не может быть хорошо напечатан, и это повлияет на данные о толщине печати, полученные традиционным методом, тем самым влияя на точность рабочей кривой¹⁸. Метод, упомянутый в этом протоколе, может обеспечить решение для определения параметров процесса DLP-печати мягких биоматериалов.

Авторам раскрывать нечего.

Авторы выражают благодарность за поддержку, оказанную Национальным фондом естественных наук Китая (гранты No 12125205, 12072316, 12132014) и Китайским фондом постдокторских наук (грант No 2022M712754).