From Earth to orbit: enhancing 3D bioprinting with advanced in-situ monitoring systems

Rapid advancements in 3D bioprinting have led to ground-breaking uses in tissue engineering and regenerative medicine. This dissertation presents the development and integration of novel in-situ monitoring techniques that enhance the precision and reliability of 3D bioprinting processes. This research makes significant strides in addressing the technical challenges associated with bioprinting technologies, particularly in extrusion-based processes, suggesting some possible solutions. The deployment of novel real-time feedback and imaging systems are two significant developments described in this work. These developments have the ability to detect errors, giving the possibility to greatly lower errors and enhance the structural integrity of bioprinted tissues. Applications of these monitoring technologies extend beyond the laboratory. In space, where external conditions are harsh and unpredictable, the ability to produce and repair biological tissues could provide essential support for long-term human missions. On Earth, these technologies promise to revolutionize personalized medicine, offering new methods for creating tissues and organs tailored to individual patients’ needs. In this work four different novel monitoring technologies are presented; these tools can have an impact on the improvement of many aspects of 3D bioprinting, ranging from the accuracy of the geometry and of the deposition of the printed output, to the positioning of cells during the bioprinting phase and their activity inside the constructs in the following maturation phase. All the systems presented have been developed keeping in mind the challenges and needs of space environment and they could be beneficial for the extraterrestrial employment of 3D bioprinting. This dissertation contributes to the critical understanding of 3D bioprinting’s capabilities and limitations and lays the groundwork for future innovations that could transform the landscape of manufacturing biological structures both on Earth and in space.

I rapidi progressi nel 3D bioprinting hanno portato a sviluppi rivoluzionari nell’ingegneria tissutale e nella medicina rigenerativa. Questa tesi presenta lo sviluppo e l’integrazione di nuove tecniche di monitoraggio in-situ che migliorano la precisione e l’affidabilità dei processi di stampa 3D. Il lavoro compie passi significativi nell’affrontare le sfide tecniche associate alle tecnologie di biostampa, in particolare nei processi basati sull’estrusione, proponendo alcune possibili soluzioni. L’introduzione di nuovi sistemi di feedback e di imaging in tempo reale rappresenta uno dei principali avanzamenti descritti in questo studio. Questi sviluppi sono in grado di rilevare errori, riducendo notevolmente le imprecisioni e migliorando l’integrità strutturale dei tessuti biostampati. Le applicazioni di queste tecnologie di monitoraggio vanno oltre il laboratorio. Nello spazio, dove le condizioni esterne sono difficili e imprevedibili, la capacità di produrre e riparare tessuti biologici potrebbe fornire un supporto fondamentale per le missioni umane di lunga durata. Sulla Terra, queste tecnologie promettono di rivoluzionare la medicina personalizzata, offrendo nuovi metodi per creare tessuti e organi su misura per le esigenze dei singoli pazienti. In questo lavoro vengono presentate quattro diverse tecnologie di monitoraggio innovative; tali strumenti possono avere un impatto sul miglioramento di molti aspetti della biostampa 3D, dalla precisione geometrica e di deposizione del materiale alla localizzazione delle cellule durante la fase di bioprinting, fino alla loro attività all’interno dei costrutti durante la successiva fase di maturazione. Tutti i sistemi presentati sono stati sviluppati tenendo conto delle sfide e delle esigenze dell’ambiente spaziale e potrebbero risultare vantaggiosi per l’impiego extraterrestre del 3D bioprinting. Questa tesi contribuisce a una comprensione approfondita delle potenzialità e dei limiti del 3D bioprinting e getta le basi per future innovazioni che potrebbero trasformare il panorama della produzione di strutture biologiche sia sulla Terra che nello spazio.