Printability analysis of Polyethylene Glycol Diacrylate-based Inks by digital light processing

Digital Light Processing (DLP) three-dimensional (3D) printing, characterized by high precision and rapid printing speed, requires adequate printing parameters and optimized ink properties to ensure adequate photocrosslinking kinetics for successful printing. However, optimization studies on DLP printing have yet to sufficiently explore the assessment of the shape fidelity of the printed constructs to determine which parameters are the most appropriate for a specific application. In this work, different PEGDA-based bioinks were initially analyzed to acquire a better understanding of their characteristics, this way nine different formulations of PEGDA 700 were prepared and a Design of Experiment was set, in order to study the effects of printing parameters (exposure time, printing power) and formulation (concentration of both photoinitiator and photoabsorber) on the quality of the printed construct. The analyses were performed on printed constructs based on a Computer Aided Design (CAD) model, characterized by twelve distributed geometrical figures which were through holes across the thickness of the structure. Images of each of these figures were acquired after every printing was completed, to constitute an extensive database. Different Image Analysis tools were applied to the images, with the goal of recognizing and calculating the area of each printed feature. This way, a first filtering was obtained, since some images did not produce an acceptable output in terms of calculated area and this result is attributable to the lack of sufficient resolution due to the printing and/or formulation parameters. Then, a quantitative evaluation was made comparing the value of area calculated from the software with the value of area expected from the CAD model. The area of the outline of the figures, which represents a measurement error, was also calculated, since it was not clear whether the software included it in the area of the feature or not. Overall, the parameter which showed the greatest influence on the outcome was the initiator concentration. In fact, the highest number of acceptable recognized areas belonged to the formulations containing the smallest amount of LAP (0.05 % w/w). The geometrical shape of the features and their position on the construct were evaluated too, revealing that some shapes usually produced worse outcomes than others in terms of recognized area, probably due to poorly defined boundaries. Furthermore, another experiment was conducted using four selected combinations of printing and formulation parameters to assess the swelling and shrinkage properties, in order to reproduce two different types of physiological environments. In particular, it was noticed how swelling increases when the content of dye is augmented, even though this has no influence on shrinkage. Instead, small changes in initiator content do not reflect on swelling or shrinkage outcomes. The results of this shape fidelity and swelling assessment might be useful to others in the choice of suitable printing and formulation parameters, when dealing with photopolymerizable materials and a Digital Light Processing 3D printer, in order to meet the requirements of the specific applications.

La Digital Light Processing (DLP), una tecnologia che nell’ambito del 3D printing vanta un’alta precisione e una rapida velocità di stampa, richiede adeguati parametri di stampa e caratteristiche dell’ink ottimizzate per assicurare la riuscita del foto-crosslinking durante stampa. Tuttavia, gli studi sull’ottimizzazione del processo di stampa DLP devono ancora esplorare sufficientemente la valutazione della shape fidelity dei costrutti stampati per determinare quali parametri sono i più appropriati per una specifica applicazione. In questo lavoro, diversi polimeri a base di PEGDA sono stati inizialmente analizzati per acquisirne una migliore conoscenza delle caratteristiche; così, sono state preparate nove diverse formulazioni di PEGDA 700 ed è stato impostato un Design of Experiment, in modo da studiare gli effetti del tempo di esposizione e della potenza durante la stampa e della concentrazione sia del foto-iniziatore che del foto-assorbitore nella formulazione. I costrutti stampati a partire da un modello ottenuto con progettazione assistita da computer (CAD), sono caratterizzati da figure geometriche in triplicato che sono fori passanti attraverso lo spessore della struttura. Dopo il completamento di ciascuna stampa, sono state acquisite immagini di ognuna di queste figure, così da costituire un esteso database. Diversi strumenti di Analisi di Immagini sono stati applicati alle immagini, con l’obiettivo di riconoscere e calcolare l’area di ciascuna feature stampata per confrontare l’accordo con il nominale. In questo modo, è stato ottenuto un primo filtraggio, dato che alcune immagini non hanno prodotto un output accettabile in termini di area calcolata e questo risultato è attribuibile alla mancanza di risoluzione sufficiente, dovuta ai parametri di formulazione e/o di stampa. Successivamente, è stata effettuata un’ulteriore selezione confrontando il valore di area calcolato dal software col valore di area atteso dal modello CAD. È stata anche calcolata l’area del contorno delle feature, che rappresenta un errore di misura, dato che non era chiaro se il software la avesse inclusa nell’area delle feature o no. Complessivamente, il parametro che ha mostrato la maggiore influenza sull’outcome è stato la concentrazione di foto iniziatore. Infatti, il numero più alto di aree riconosciute accettabili appartiene alle formulazioni contenenti il più basso contenuto di LAP (0.05 % w/w). Sono state valutate anche la forma geometrica delle feature e la loro posizione sul costrutto, rivelando come alcune forme generassero outcome peggiori di altre in termini di area riconosciuta, probabilmente a causa di un contorno non definito. Inoltre, quattro formulazioni sono state investigate per valutare le proprietà di swelling e shrinkage, così da riprodurre due tipi diversi di ambienti fisiologici. In particolare, è stato notato come lo swelling aumenti con l’aumento della concentrazione di foto assorbitore, mentre questa non ha influenza sullo shrinkage. Invece, piccole variazioni nella concentrazione di iniziatore non si riflettono sugli outcome né di swelling né di shrinkage. I risultati di queste valutazioni sulla shape fidelity e sul fenomeno di swelling possono essere utili ad altri nella scelta dei parametri di stampa e di formulazione idonei, avendo a che fare con materiali foto polimerizzabili e usando una stampante 3D che sfrutti la tecnologia di Digital Light Processing, così da soddisfare i requisiti delle applicazioni specifiche.