In-situ error detection in extrusion-based bioprinting utilizing thermal imaging

Bioprinting is a set of emerging additive manufacturing technologies employed to fabricate artificial tissues and organs that resemble their natural counterparts. In extrusion-based bioprinting, the bioink, a formulation of living and non-living biomaterials, is initially placed in a plastic cartridge and continuously extruded from a nozzle in the shape of cylindric filaments. The bioink is dispensed layer upon layer to reproduce the desired three-dimensional digital model. Extrusion based-bioprinting is the most diffused bioprinting method; still, several factors belonging to the domains of process parameters, construct design and bioink properties jointly cause material deposition defects, compromising the structural and biological functionalities of printed parts. For this reason, process monitoring, control and optimization techniques for material deposition in extrusion-based bioprinting are crucial for detecting errors, correcting errors and finding the process parameters enabling the best quality performance. The literature on process monitoring in extrusion-based bioprinting lacks a method to evaluate geometric errors in constructs printed with a transparent bioink and in individual layers of multi-layer constructs that include intersections and adjacent filaments. The present thesis proposes a method compatible with transparent bioinks to detect deposition errors in extrusion-based bioprinting by employing a thermal camera imager to record thermal image sequences during printing. A set of 24 bioprinting experiments was conducted, including two construct models and varying process parameters. An image analysis process was developed to segment the shape of deposited biomaterial at every instant depending on its temperature rather than its optical properties; indeed, the temperature of the bioink at the instant of extrusion was higher than that of the substrate and the previously deposited biomaterial. The developed technique could evaluate errors in the thickness of printed filaments simultaneously with the unfolding of an analyzed image sequence. In addition, it was able to reconstruct the segmented profile of each layer in a multi-layer construct and evaluate its geometric accuracy.

Il bioprinting è un insieme di tecnologie additive per la fabbricazione di tessuti ed organi artificiali che imitano i loro corrispettivi naturali. In bioprinting ad estrusione, il bioink, una formulazione di biomateriali viventi e non viventi, è inizialmente contenuto in una cartuccia di plastica e depositato continuamente da un ugello sottoforma di filamenti cilindrici. Il bioink è dispensato strato per strato per riprodurre il modello digitale tridimensionale desiderato. Il bioprinting ad estrusione è il metodo di bioprinting più diffuso; tuttavia, diversi fattori appartenenti al campo dei parametri di processo, design del costrutto stampato e proprietà del bioink causano congiuntamente difetti nella deposizione del materiale, compromettendo le funzionalità strutturali e biologiche delle parti stampate. Per questo motivo, il monitoraggio, controllo e ottimizzazione di processo sono essenziali per identificare gli errori, correggere gli errori e trovare i parametri di processo ottimali che consentano la miglior prestazione di qualità. La letteratura sul monitoraggio di processo in bioprinting ad estrusione manca di un metodo per valutare gli errori geometrici in costrutti stampati con un bioink trasparente e nei singoli strati di costrutti multi-strato che includono intersezioni o filamenti adiacenti. Questa tesi propone un metodo compatibile con un bioink trasparente per identificare errori di deposizione in bioprinting ad estrusione utilizzando una termocamera per acquisire sequenze di immagini durante la stampa. Un insieme di 24 stampe sono state condotte, includendo due diversi modelli di costrutti e variando i parametri di processo. Un processo di analisi di immagini è stato sviluppato per segmentare la forma del biomateriale depositato ad ogni istante in base alla sua temperatura piuttosto che alle sue proprietà ottiche; infatti, la temperatura del bioink durante l’estrusione è maggiore della temperatura del substrato o del bioink precedentemente estruso. La tecnica sviluppata ha consentito di valutare l’errore nella larghezza del filamento simultaneamente allo svolgimento di una sequenza di immagini analizzata. Inoltre, ha consentito la ricostruzione del profilo segmentato di ciascuno strato in un costrutto multi-strato e la valutazione di errori geometrici al suo interno.