3D bioprinting: from novel solutionsfor in-situ monitoring to the biofabrication of drug-releasing biomimetic scaffolds

Bioprinting, an interdisciplinary domain, merges additive manufacturing, tissue engineering, and material sciences. The escalating demand for personalized medicine has driven curiosity in the potential of bioprinting to replicate biological tissues, positioning it as a highly promising field in biomedical research. However, achieving bioconstructs that closely mimic living tissues necessitates a complex and intricate process comprising multiple steps. Given the complexity of the processes involved, the literature still lacks robust solutions for monitoring the bioprinted construct quality, especially in-situ and in-line. Actually, most of the activity is done ex-situ, to study printability and shape fidelity of the printed constructs, with very few examples of in-situ monitoring. Hence the need to monitor and control the bioprinting process by developing ad-hoc systems and methods in order to ensure the necessary conditions, like replicability and reproducibility, to move from an academic reality to an industrial sector (no defects between layers, quality control, mass production, etc.), and the development of non-destructive monitoring systems would allow the implementation of in-line control methods for the printing processes. Therefore, the research presented in this thesis is devoted to the development of methodologies for the monitoring of bioprinted constructs, to enhance defect detection in the field of bioprinting. To do that, in our research, we explored different monitoring approaches based on visible light and thermal imaging sensors, to inspect multilayer constructs made of different types of bioinks. Novel and ad-hoc algorithm were developed to analyze images and the retrieved data were used to describe the kind of defects that is possible to encounter in this kind of process. A contribution in this direction could improve the fields of application of these technologies. An example of how these 3D printing technologies can be used to produce biomimetic scaffolds that can release drugs in a controlled manner is given in this thesis. The outcomes of this research will be presented and analyzed in order to emphasize the additional value of this thesis' methodological contributions to the field.

IL bioprinting è un campo interdisciplinare che fonde la manifattura additiva, l'ingegneria tissutale e le scienze dei materiali ed è proprio la crescente domanda per applicazioni di medicina personalizzata ha ne ha enfatizzato il potenziale nel replicare tessuti biologici, posizionandolo come un campo estremamente promettente nella ricerca biomedica. Tuttavia, ottenere costrutti che replicano da vicino i tessuti viventi richiede un processo complesso e intricato che comprende diverse fasi. Date le complessità dei processi coinvolti, la letteratura scientifica ancora manca di soluzioni robuste per monitorare la qualità del costrutto biostampato, specialmente in situ e in linea. Attualmente, la maggior parte dell'attività viene svolta ex situ, per studiare la stampabilità e la fedeltà della forma dei costrutti stampati, con pochissimi esempi di monitoraggio in situ. Da qui la necessità di monitorare e controllare il processo di biostampa mediante lo sviluppo di sistemi e metodi ad hoc al fine di garantire le condizioni necessarie, come replicabilità e riproducibilità, per passare da una realtà accademica a un settore industriale (senza difetti tra gli strati, controllo di qualità, produzione di massa, ecc.). Lo sviluppo di sistemi di monitoraggio non distruttivi consentirebbe l'implementazione di metodi di controllo in linea per i processi di stampa. Pertanto, la ricerca presentata in questa tesi è dedicata allo sviluppo di metodologie per il monitoraggio di costrutti biostampati, al fine di migliorare la rilevazione dei difetti nel campo della biostampa. A tale scopo, nella nostra ricerca, abbiamo esplorato diversi approcci di monitoraggio basati su sensori a luce visibile e termica, per ispezionare costrutti multistrato realizzati con diversi tipi di bioink. Algoritmi innovativi ad hoc sono stati sviluppati per analizzare le immagini e i dati recuperati sono stati utilizzati per descrivere il tipo di difetti che è possibile riscontrare in questo tipo di processi. Un contributo in questa direzione potrebbe migliorare i campi di applicazione di queste tecnologie. Un esempio di come queste tecnologie di stampa 3D possano essere utilizzate per produrre impalcature biomimetiche in grado di rilasciare farmaci in modo controllato è stato fornito anche in questa tesi. In questa tesi vengono presentati presentati ed analizzati i contributi metodologici introdotti in questi campi.