Printability assessment of edible bioinks for cultured meat extrusion based 3D bioprinting

Livestock farming is one of the main causes of Green House Gasses emissions, water depletion, and land use. The emerging sector of protein alternatives aims at substituting the consumption of meat from livestock origin. Among the three different types of protein alternatives, cultured meat (CM) is the only one with the potentiality to substitute completely the livestock meat but proposing a product with the same properties. The production of cultured meat follows different procedures, and 3D Bioprinting (3DBP) represents one of the most promising. However, few research is dedicated to the development of this technology, mainly due to the low availability of materials that satisfy the constraints of edibility, biocompatibility, economic feasibility, and printability. This thesis aims at presenting the first empirical printability model that identifies the optimal window of printing parameters considering the model’s uncertainty, in order to guide the experimenter according to any objective functions. The focus will be on two edible hydrogels — namely pure alginate 6%, and alginate 6% gelatin 4% — used as bioinks for an extrusion-based 3D bioprinting process for CM. The results of the model aim at opening the doors of scalability and process optimization to this novel technology.

L'allevamento di bestiame è una delle principali cause delle emissioni di gas serra, dell'impoverimento delle risorse idriche e dello sfruttamento del suolo. Il settore emergente delle alternative proteiche mira a sostituire il consumo di carne di origine animale. Tra i tre diversi tipi di alternative proteiche, la carne coltivata è l'unica con la potenzialità di sostituire completamente la carne di origine animale, proponendo un prodotto con le stesse proprietà. La produzione di carne coltivata segue diverse procedure, e il 3D Bioprinting rappresenta una delle più promettenti. Tuttavia, poche ricerche sono dedicate allo sviluppo di questa tecnologia, soprattutto a causa della scarsa disponibilità di materiali che soddisfino i vincoli di commestibilità, biocompatibilità, fattibilità economica e stampabilità. Questa tesi mira a presentare il primo modello empirico di stampabilità che identifica la finestra ottimale dei parametri di stampa tenendo conto dell'incertezza del modello, al fine di guidare lo sperimentatore in base a qualsiasi funzione obiettivo. L'attenzione si concentra su due idrogel commestibili — alginato puro al 6% e alginato al 6% e gelatina al 4% — utilizzati come bioink per un processo di bioprinting 3D ad estrusione per carne coltivata. I risultati del modello mirano ad aprire le porte della scalabilità e dell'ottimizzazione del processo a questa nuova tecnologia.