Rheological characterization of common bioink precursors and CFD simulation of bioink flow in microfluidic models of bioprinting nozzles

Three-dimensional (3D) bioprinting is an emerging technology with the potential to revolutionize regenerative medicine by enabling the fabrication of tissue-like structures with high spatial precision. Despite rapid advances, key limitations persist—particularly in the design of bioinks with high cell density and optimal printability, and in the understanding of the complex fluid dynamics occurring within bioprinting nozzles. Current top-down approaches often lead to narrow biofabrication windows, constraining process versatility and standardization. To overcome these challenges, this study introduces a bottom-up strategy aimed at correlating the structure, rheological properties, and printing performance of hydrogel-based bioinks in nozzle-relevant geometries. We combined in-silico Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations with microfluidic experimentation using PDMS-based devices mimicking nozzle features of commercial extrusion-based bioprinters. GelMA and Hyaluronic Acid (200 kDa) were evaluated as model bioink precursors to explore flow behavior and potential inertio-elastic instabilities induced by geometrical constrictions. This dual modeling-validation framework provides new insights into the flow-driven phase behavior of non-Newtonian cell-laden bioinks and supports the rational design of both bioink formulations and nozzle geometries for improved printing fidelity and cell viability. Ultimately, our approach contributes to expanding the biofabrication window and accelerating the development of clinically relevant bioprinted constructs

La biostampa tridimensionale (3D) è una tecnologia emergente con il potenziale di rivoluzionare la medicina rigenerativa, consentendo la fabbricazione di strutture simili a tessuti con elevata precisione spaziale. Nonostante i rapidi progressi, persistono limitazioni significative, in particolare nella progettazione di bioink ad alta densità cellulare e con un'ottimale stampabilità, nonché nella comprensione della complessa fluidodinamica che si verifica all'interno degli ugelli di biostampa. Gli attuali approcci top-down portano spesso a finestre di biofabbricazione ristrette, limitando la versatilità e la standardizzazione del processo. Per superare queste sfide, questo studio propone una strategia bottom-up volta a correlare la struttura, le proprietà reologiche e le prestazioni di stampa di bioink a base di idrogel in geometrie rappresentative degli ugelli. Sono state combinate simulazioni in-silico di Fluidodinamica Computazionale (CFD) con esperimenti microfluidici condotti mediante dispositivi in PDMS che riproducono le caratteristiche degli ugelli delle biostampanti a estrusione commerciali. GelMA e Acido Ialuronico (200 kDa) sono stati valutati come bioink modello per esplorare il comportamento del flusso e le potenziali instabilità inerti-elastiche indotte da restringimenti geometrici. Questo approccio integrato fornisce nuove intuizioni sul comportamento di fase dei bioink non newtoniani nel range di flusso a cui sono sottoposti nel processo di estrusione. La piattaforma computazionale progettata può essere sfruttata come supporto alla valutazione di nuovi bioink e delle geometrie degli ugelli, al fine di migliorare la fedeltà di stampa e la vitalità cellulare. In un quadro più ampio, il nostro approccio contribuisce ad ampliare la finestra di biofabbricazione con l'obiettivo di ottenere costrutti biostampati clinicamente rilevanti.