DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07061-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480965
تاريخ النشر: 2024-03-13
المؤلف: Jason M. Kronenfeld وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطباعة ثلاثية الأبعاد في البحث biomedical
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدمات الأخيرة في تصنيع الجسيمات، مع التركيز على إدخال تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد جديدة وقابلة للتوسع وعالية الدقة تُعرف باسم إنتاج الواجهة السائلة المستمرة من لف إلى لف (r2rCLIP). تستخدم هذه الطريقة بصريات بدقة ميكرون ذات رقم فردي، ولفافة فيلم مستمرة، مما يسمح بالإنتاج السريع والحصاد لجسيمات محددة الشكل ذات هندسة معقدة تتجاوز قدرات التقنيات التقليدية المعتمدة على القوالب. يمكن أن تحقق عملية r2rCLIP أحجام فوكسل صغيرة تصل إلى $2.0 \times 2.0 \, \mu m^2$ في مستوى الطباعة وسمك غير مدعوم قدره $1.1 \pm 0.3 \, \mu m$، مع قدرة إنتاج تصل إلى 1,000,000 جسيم في اليوم.
تُبرز أهمية هذه الجسيمات المجهرية، حيث تلعب أدوارًا حيوية في تطبيقات متقدمة متنوعة، بما في ذلك الأجهزة الطبية الحيوية، وأنظمة توصيل الأدوية، والميكروإلكترونيات. يتناقض النص بين طرق تصنيع الجسيمات من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل، مشيرًا إلى أنه بينما يمكن أن تؤدي الأساليب من الأسفل إلى الأعلى إلى إنتاجية عالية، فإنها غالبًا ما تؤدي إلى تجمعات جسيمات غير متجانسة مع تحكم هندسي محدود. بالمقابل، تقدم الطرق من الأعلى إلى الأسفل، بما في ذلك تقنيات الليثوغرافيا المتقدمة والتشكيل، دقة هندسية محسنة. يشير القسم أيضًا إلى تقنيات راسخة مثل PRINT و SEAL التي تدمج العمليات الليثوغرافية لتحقيق تحكم هندسي ثنائي الأبعاد، مما يسهل التصنيع الدقيق للجسيمات الدقيقة والنانومترية ذات الخصائص الوظيفية المحددة، والتي تعتبر حاسمة لتطبيقات توصيل الأدوية والتفاعلات الخلوية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والتركيبات المستخدمة في دراستهم. تم الحصول على جميع المركبات من Sigma-Aldrich واستخدمت دون مزيد من التنقية. كانت التركيبة الرئيسية للرواسب، المصممة لتقليل سمك الطبقة مع ضمان تجانس السطح، تتضمن 0.5 wt% HDDMA، 5.0 wt% PPO كمبادر ضوئي، و0.5 wt% سودان I كامتزاز للأشعة فوق البنفسجية، وتم تصفيتها من خلال فلتر نايلون 0.22 ميكرون قبل التطبيق. تضمنت التركيبات الإضافية TMPTA مع 2.5 wt% TPO و0.3 wt% BLS1326، PEGDA 400 مع 1.0 wt% PPO و0.5 wt% سودان I، وراتنج ما قبل السيراميك يتكون من 49.8 wt% SIL 30 المكون A، 47.0 wt% HDDA، 2.5 wt% PPO، 0.5 wt% سودان I، و0.25 wt% HDDMA.
علاوة على ذلك، قام المؤلفون بتصنيع مكعبات توصيل الأدوية من PEGDMA (Mn، 550) مع 2.5 wt% TPO و0.4 wt% BLS1326، وتم ملؤها لاحقًا بمحلول ميثيلين أزرق بنسبة 10 v/v% في الجليسرين. كما قامت الدراسة بتقييم الراتنجات التجارية، وخاصة PR48 (PR48-Clear Resin، CPS Polymers) وKeySplint Hard (رقم 2421146، هنري شين)، لتقييم أدائها في سياق التركيبات المطورة.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجيات والإعدادات المستخدمة في نظام إنتاج الواجهة السائلة المستمرة عالية الدقة (CLIP) لتصنيع السيراميك المشتق من البوليمر ومكعبات توصيل الحمولة. تم تحسين طابعة CLIP بمكونات عالية الدقة، بما في ذلك محرك ضوء DLP وبرمجيات مخصصة، لضمان الطباعة الدقيقة على فيلم بولي إيثيلين تيريفثاليت المغلف بالألمنيوم المشدود. تضمنت عملية حصاد الجسيمات السونكة والتسخين لتسهيل الفصل، مع تخصيص معلمات محددة لأنظمة الراتنج المختلفة. تمت معالجة خليط HDDA-السيراميك من خلال سلسلة من خطوات الطرد المركزي والتفكك الحراري، محققة فقدان كبير في الكتلة وتحولات هيكلية كما يتضح من تحليل الوزن الحراري (TGA) ودراسات حيود الأشعة السينية (XRD).
تم تحقيق تصنيع مكعبات توصيل الحمولة باستخدام تركيبة PEGDMA 550، مع استخدام تقنيات التعبئة اليدوية لإدخال محلول ميثيلين أزرق في المكعبات. يقترح المؤلفون أن العمل المستقبلي يمكن أن يتضمن أنظمة آلية لتعزيز الدقة في عملية التعبئة. تم إجراء توصيف للمواد المطبوعة من خلال طرق متنوعة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتصوير الضوئي، لتقييم عمق الشفاء وخصائص المواد. تشير النتائج إلى أن المواد تحتفظ بخصائص غير متبلورة عند درجات حرارة تفكك حراري منخفضة، وتتحول إلى أشكال بلورية من α-Si₃N₄ وSiO₂ عند درجات حرارة أعلى، مما يبرز الإمكانيات لهذه المواد في التطبيقات المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07061-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480965
Publication Date: 2024-03-13
Author(s): Jason M. Kronenfeld et al.
Primary Topic: 3D Printing in Biomedical Research
Overview
The section provides an overview of recent advancements in particle fabrication, emphasizing the introduction of a novel, scalable, high-resolution 3D printing technique known as roll-to-roll continuous liquid interface production (r2rCLIP). This method utilizes single-digit, micron-resolution optics and a continuous film roll, allowing for the rapid production and harvesting of shape-specific particles with complex geometries that surpass the capabilities of traditional mould-based techniques. The r2rCLIP process can achieve voxel sizes as small as $2.0 \times 2.0 \, \mu m^2$ in the print plane and an unsupported thickness of $1.1 \pm 0.3 \, \mu m$, with a production capacity of up to 1,000,000 particles per day.
The significance of these microscopic particles is highlighted, as they play crucial roles in various advanced applications, including biomedical devices, drug delivery systems, and microelectronics. The text contrasts bottom-up and top-down particle fabrication methods, noting that while bottom-up approaches can yield high throughput, they often result in heterogeneous particle populations with limited geometric control. In contrast, top-down methods, including advanced lithography and moulding techniques, offer enhanced geometric precision. The section also references established techniques like PRINT and SEAL that integrate lithographic processes to achieve two-dimensional geometric control, facilitating the precise fabrication of micro- and nanoparticles with specific functional properties, which are critical for applications in drug delivery and cellular interactions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and formulations used in their study. All compounds were sourced from Sigma-Aldrich and utilized without further purification. The primary resin formulation, designed to minimize layer thickness while ensuring surface homogeneity, included 0.5 wt% HDDMA, 5.0 wt% PPO as a photo-initiator, and 0.5 wt% Sudan I as an ultraviolet absorber, filtered through a 0.22 µm nylon filter prior to application. Additional formulations included TMPTA with 2.5 wt% TPO and 0.3 wt% BLS1326, PEGDA 400 with 1.0 wt% PPO and 0.5 wt% Sudan I, and a preceramic resin comprising 49.8 wt% SIL 30 Component A, 47.0 wt% HDDA, 2.5 wt% PPO, 0.5 wt% Sudan I, and 0.25 wt% HDDMA.
Furthermore, the authors fabricated drug-delivery cubes from PEGDMA (Mn, 550) with 2.5 wt% TPO and 0.4 wt% BLS1326, subsequently filled with a 10 v/v% methylene blue solution in glycerol. The study also evaluated commercial resins, specifically PR48 (PR48-Clear Resin, CPS Polymers) and KeySplint Hard (no. 2421146, Henry Schein), to assess their performance in the context of the developed formulations.
Discussion
In this section, the authors detail the methodologies and setups employed in their high-resolution continuous liquid interface production (CLIP) system for fabricating polymer-derived ceramics and cargo delivery cubes. The CLIP printer was enhanced with high-precision components, including a DLP light engine and custom software, to ensure accurate printing on a tensioned aluminum-coated polyethylene terephthalate film. The particle harvesting process involved sonication and heating to facilitate delamination, with specific parameters tailored to different resin systems. The HDDA-ceramic mix was processed through a series of centrifugation and pyrolysis steps, achieving significant mass loss and structural transformations as evidenced by thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction (XRD) studies.
The fabrication of cargo delivery cubes was achieved using a PEGDMA 550 formulation, with manual filling techniques employed to introduce a methylene blue solution into the cubes. The authors suggest that future work could incorporate automated systems to enhance precision in the filling process. Characterization of the printed materials was conducted through various methods, including scanning electron microscopy (SEM) and optical imaging, to assess cure depth and material properties. The results indicate that the materials retain amorphous characteristics at lower pyrolysis temperatures, transitioning to crystalline forms of α-Si₃N₄ and SiO₂ at higher temperatures, highlighting the potential for these materials in advanced applications.