Ilościowa charakterystyka właściwości ciekłego światłoczułego biotuszu do ciągłego druku opartego na cyfrowym przetwarzaniu światła
14 kwietnia 2023
To badanie wykorzystuje temperaturę i skład materiału do kontrolowania właściwości płynów o granicy plastyczności. Stan podobny do ciała stałego atramentu może chronić strukturę druku, a stan podobny do cieczy może w sposób ciągły wypełniać pozycję drukowania, realizując cyfrowe przetwarzanie światła 3D z wyjątkowo miękkich biotuszów.
Moje badania obejmują głównie DLP, biodruk 3D i inżynierię tkankową. Staraliśmy się zoptymalizować i ulepszyć proces drukowania DLP i teorię formuły, aby drukowane rusztowanie inżynierii tkankowej mogło lepiej spełniać rzeczywiste potrzeby aplikacji klinicznej. Warunki drukowania istniejących materiałów światłoutwardzalnych opierają się na eksperymentach ręcznych i są uzyskiwane poprzez wprowadzanie danych z wielu przeprowadzonych eksperymentów.
Takie eksperymenty powodują marnotrawstwo materiału i zmniejszają wydajność drukowania. Skonstruowałem teoretyczną krzywą roboczą i wyznaczyłem piramidy druku DLP materiału tylko na podstawie właściwości fizycznych materiału. Proponuje się zastosowanie koncepcji dynamicznej kąpieli fluidalnej w druku DLP w celu realizacji formatu DLP złożonych trójwymiarowych struktur z wyjątkowo miękkich materiałów.
Metoda ta może poprawić efektywność określania warunków drukowania materiałów fotoutwardzalnych. Technologia ta może zapewnić wsparcie techniczne dla badań i rozwoju materiałów fotoutwardzalnych oraz dokładnego drukowania tych materiałów. Rozpocznij od zmierzenia czasu progowego tuszu biologicznego za pomocą reometru z elementem kontrolującym temperaturę.
Wykorzystaj źródło światła 365 nm, aby naświetlić platformę testową reometru i ustaw natężenie światła na określoną wartość. W oprogramowaniu reometru przejdź do opcji ustawień czasu i ustaw reometr tak, aby pobierał dane modułów czasowych dla 300 punktów danych, przy czym każdy punkt danych jest pobierany co 0,3 sekundy. Kliknij przycisk Rozpocznij test w oprogramowaniu reometru, aby rozpocząć test.
Jednocześnie kliknij przycisk Start źródła światła. Aby obliczyć czas progowy, należy zapisać odpowiedni czas licząc od początku ekspozycji, gdy dane dotyczące modułu przechowywania są równe danym o utraconym module. Następnie zbuduj sprzęt do badania absorbancji, używając górnych i dolnych szkiełek podstawowych oraz drukowanej struktury w kształcie pierścienia.
Zacisnąć pierścień między szkiełkami tak, aby wewnętrzny okrąg pierścienia tworzył komorę. Umieść komorę na obszarze testowym miernika natężenia światła i ustaw źródło światła tak, aby odsłoniło obszar komory. Gdy komora testowa nie jest wypełniona materiałem z urządzenia do badania absorbancji, zmierz natężenie światła padającego II, odczytując wyświetlacz miernika natężenia światła.
Następnie napełnij komorę testową 10 mikrolitrami biotuszu. Wystaw komorę testową zawierającą biotusz na działanie światła ultrafioletowego o długości 365 nanometrów. Uzyskaj natężenie światła IIH, odczytując wyświetlacz.
Gdy wartość miernika natężenia światła już się nie zmienia, odczytaj wyświetlacz, aby uzyskać natężenie światła po utwardzeniu atramentu biologicznego. Wartością jest absorbancja ciała stałego ISH. Aby uzyskać cyfrowe przetwarzanie światła lub drukowanie DLP, zacznij od użycia oprogramowania DLP.
W ustawieniach parametrów ustaw czas naświetlania pierwszej pojedynczej warstwy na czas progowy. Oblicz czas ekspozycji utwardzania materiałów o grubości 10 mikrometrów zgodnie z tym równaniem i odejmij czas progowy, aby uzyskać rzeczywisty czas ekspozycji dla utwardzania pojedynczej warstwy. W ustawieniach parametrów oprogramowania ustaw odstęp czasu między sąsiednimi warstwami na zero sekund.
Uruchom drukarkę, klikając przycisk Start w oprogramowaniu do drukowania. Po zakończeniu procesu drukowania zakończ drukowanie, klikając przycisk Zatrzymaj. Protokół ten pokazuje, że metoda ciągłego drukowania DLP może dokładnie obliczyć teoretyczne krzywe robocze różnych materiałów.
Zaobserwowano wysoki stopień zbieżności między przewidywaniami teoretycznymi a rzeczywistymi wynikami druku dla trzech różnych materiałów. W porównaniu z tradycyjną metodą druku DLP, metoda ta wykazała poprawę wydajności drukowania, przy zmniejszeniu grubości warstwy druku. Ponadto zaobserwowano dziesięciokrotny wzrost wydajności utwardzania w porównaniu z tradycyjnym drukiem DLP, co pokazuje, że metoda ciągłego druku DLP może jednocześnie osiągnąć wysoką wydajność i wysoką wierność.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie koncentruje się na optymalizacji procesów biodruku 3D metodą DLP w zastosowaniach inżynierii tkankowej. Poprzez kontrolę temperatury oraz składu materiału można skutecznie zarządzać właściwościami naprężenia granicznego bioatramentów, co usprawnia druk materiałów miękkich.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biodruk 3D
- Inżynieria tkankowa
- Inżynieria materiałowa
Wstęp
- Istniejące procesy druku DLP w dużym stopniu opierają się na eksperymentach prowadzonych metodą prób i błędów.
- Obecne metody powodują marnotrawstwo materiałów i obniżają wydajność.
- Konieczne jest opracowanie lepszych ram teoretycznych w zakresie formułowania bioatramentów.
- Koncepcje dynamicznych kąpieli płynnych mogą zwiększyć możliwości drukowania.
Cel badania
- Optymalizacja procesu druku DLP w celu lepszego zastosowania klinicznego.
- Ograniczenie marnotrawstwa materiału i zwiększenie wydajności druku.
- Opracowanie teoretycznej krzywej roboczej dla właściwości biotuszu.
Zastosowane metody
- Konstrukcja teoretycznej krzywej roboczej w oparciu o właściwości materiałowe.
- Zastosowanie koncepcji dynamicznej kąpieli płynnej w druku DLP.
- Optymalizacja warunków druku poprzez analizę teoretyczną.
- Ocena właściwości granicy płynności biotuszów.
Główne wyniki
- Skuteczna kontrola właściwości granicy plastyczności poprzez regulację temperatury i składu.
- Poprawa wydajności procesu druku DLP.
- Zwiększona integralność strukturalna wydrukowanych rusztowań.
- Realizacja złożonych struktur 3D z wykorzystaniem miękkich biotuszów.
Wnioski
- Badanie to stanowi istotny postęp w dziedzinie biodruku DLP.
- Zoptymalizowane procesy mogą prowadzić do lepszych wyników klinicznych w inżynierii tkankowej.
- Przyszłe prace mogą skupić się na dalszym dopracowaniu właściwości materiałowych oraz technik druku.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa charakterystyka właściwości biotuszu z wykorzystaniem danych o absorbancji i fotoreologii umożliwia precyzyjną i efektywną materiałowo optymalizację biodruku DLP w inżynierii tkankowej. Podejście to eliminuje zależność od manualnych prób i błędów, przyspieszając wczesny etap rozwoju i zmniejszając zużycie zasobów. Zwiększona wierność druku oraz żywotność komórek mają bezpośredni wpływ na gotowość translacyjną i rozwój portfolio zaawansowanych platform biomateriałowych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia szybką weryfikację drukowalności biotuszów oraz kompatybilności materiałów dla hipotez z zakresu inżynierii tkankowej.
- Wspiera funkcjonalną walidację fotoutwardzalnych biomateriałów bez konieczności zapewnienia wysokiej formowalności.
- Ułatwia predykcyjną minimalizację ryzyka poprzez powiązanie właściwości fizycznych z efektami drukowania.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Standaryzuje procesy charakterystyki bioatramentów w celu odtwarzalnego doboru parametrów druku DLP.
- Dostarcza wyników ilościowych (czas progowy, absorbancja) dla rzetelnego opracowania testów.
- Zwiększa przepustowość screeningu poprzez minimalizację strat materiału i ograniczenie interwencji manualnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje protokoły drukowania do wymogów dotyczących żywotności komórek i wierności strukturalnej modeli tkankowych.
- Umożliwia zachowanie ciągłości od etapu oceny materiałów w fazie odkrywczej po wytwarzanie konstruktów przedklinicznych.
- Zmniejsza ryzyko niepowodzenia translacyjnego wynikającego z nieoptymalnych warunków drukowania lub utraty komórek.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje obszary biologii odkrywczej, opracowywania testów oraz wytwarzania konstruktów translacyjnych, wspierając przejście z etapu przesiewania materiałów do walidacji przedklinicznej.
- Biologia odkrywcza: Zapewnia ilościowe ramy do testowania hipotez i ograniczania ryzyka związanego z materiałami.
- Screening: Dostarcza powtarzalne, ilościowe odczyty do optymalizacji parametrów i przygotowania testów.
- Analityka: Umożliwia bezpośrednie porównanie właściwości bioatramentów i wyników drukowania w różnych warunkach.
- Badania translacyjne: Wspiera dostosowanie protokołów drukowania do funkcjonalnych wymagań inżynierii tkankowej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia skalowalny, niezależny od materiału przepływ pracy dla ciągłych innowacji w zakresie biomateriałów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność przewidywania w wyborze biotuszu i sukcesu drukowania.
- Wartość operacyjna: Redukuje odpady materiałowe, nakład pracy ręcznej oraz czas cyklu eksperymentalnego.
- Wartość strategiczna: Przyspiesza podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) i zwiększa efektywność kapitałową w obszarze B&R biomateriałów.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia dostosowany do ryzyka rozwój platform inżynierii tkankowej z walidowanymi protokołami drukowania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana wiedza z zakresu reologii, fotopolimeryzacji oraz ilościowej analizy materiałowej.
- Niezbędny dostęp do reometrów, źródeł światła UV oraz aparatury do pomiaru absorbancji.
- Wymagana standaryzacja pozyskiwania danych i raportowania parametrów pomiędzy zespołami.
- Metoda możliwa do adaptacji dla różnych fotoutwardzalnych biomateriałów i zastosowań w inżynierii tkankowej.
- Rzetelna parametryzacja zależy od dokładnego pomiaru czasu progowego oraz absorbancji.
