Mechanical and biological characterization of 3D bioprinted tubular scaffolds

Cardiovascular diseases (CVD) are the leading cause of death worldwide, and generate a substantial clinical demand for small-diameter vascular grafts. Synthetic prostheses shows poor performance at diameters below 6 mm because of thrombogenicity and compliance mismatch, while autologous conduits are unavailable in approximately 30% of patients. In parallel, pancreaticoduodenectomy is among the highest-risk procedures in abdominal surgery, with postoperative pancreatic fistula (POPF) occurring in 20–40% of cases and being influenced by both tissue mechanical properties and surgeon experience; available phantoms fail to reproduce the mechanics of the native Wirsung duct with sufficient fidelity. This work demonstrates that a single extrusion-based 3D bioprinting platform, combining a rotating mandrel setup with a dual ionic crosslinking alginate–gelatin hydrogel, can address these two structurally distinct applications through a common fabrication strategy. The formulation is selected through multi-formulation viscoelastic screening and characterized by rheometry, identifying a printability window of approximately 20–45 min, adequate for constructs up to 3 cm in length. The printed architectures were assessed structurally through swelling and degradation assays, mechanically through ring tensile, stress relaxation and suture retention testing, and biologically through Live/Dead viability assessment of encapsulated L929 murine fibroblasts and iPSC-derived endothelial cells. All architectures, including cellularized constructs, exhibit J-shaped stress–strain profiles at fabrication, with initial elastic moduli of 226 ± 60 kPa, 201 ± 55 kPa, and 78 ± 18 kPa for the acellular monolayer, bilayer, and trilayer respectively. Macroscopic structural integrity is retained over 21 days with degradation rates below 9%, with the trilayer as the only architecture maintaining mechanical testability at all time points. Suture retention on monolayer constructs (0.29 ± 0.05 N) falls substantially below the biological Wirsung duct benchmark (2.65 ± 0.76 N). L929 fibroblasts at 6×10⁶ cells/mL maintain viability above 87% through day 21; iPSC-derived endothelial cells at 4×10⁶ cells/mL maintain viability above 70% through day 14 with confirmed CD31 expression at day 7. The results establish a validated, scalable bioprinting platform addressing two distinct unmet clinical needs, vascular graft development and high-fidelity surgical training phantoms, from a common fabrication strategy.

Le malattie cardiovascolari sono la prima causa di morte a livello mondiale e generano una significativa domanda clinica di sostituti vascolari di piccolo diametro. Le protesi sintetiche falliscono sotto i 6 mm di diametro per trombogenicità e mismatch di compliance, mentre i condotti autologhi non sono disponibili in circa il 30% dei pazienti. In parallelo, la pancreaticoduodenectomia è tra le procedure a più alto rischio della chirurgia addominale, con fistola pancreatica postoperatoria (POPF) nel 20–40% dei casi, dipendente dalle proprietà meccaniche del tessuto e dall'esperienza del chirurgo; i phantom disponibili non riproducono con sufficiente fedeltà la meccanica del dotto di Wirsung nativo. Questo lavoro dimostra che una singola piattaforma di biostampa 3D ad estrusione, basata su mandrino rotante e idrogel alginato-gelatina a doppio crosslinking ionico, può rispondere a entrambe le applicazioni con una strategia di fabbricazione comune. La formulazione è selezionata tramite screening viscoelastico e caratterizzata mediante reometria, identificando una finestra di stampabilità di 20–45 minuti, adeguata per costrutti fino a 3 cm. Le architetture stampate sono valutate strutturalmente (swelling e degradazione), meccanicamente (ring tensile, stress relaxation, suture retention) e biologicamente (Live/Dead su fibroblasti L929 murini e cellule endoteliali iPSC-derivate incapsulati nel bioink). Tutte le architetture, inclusi i costrutti cellularizzati, mostrano profili tensione-deformazione J-shape alla fabbricazione, con moduli elastici iniziali di 226 ± 60 kPa, 201 ± 55 kPa e 78 ± 18 kPa rispettivamente per monolayer, bilayer e trilayer acellulari. L'integrità strutturale macroscopica è mantenuta per 21 giorni con tassi di degradazione inferiori al 9%; il trilayer è l'unica architettura meccanicamente testabile a tutti i time point. La suture retention sui costrutti monolayer (0,29 ± 0,05 N) è sostanzialmente inferiore al benchmark biologico del dotto di Wirsung (2,65 ± 0,76 N). I fibroblasti L929 a 6×10⁶ cellule/mL mantengono vitalità superiore all'87% fino al giorno 21; le cellule endoteliali iPSC-derivate a 4×10⁶ cellule/mL superano il 70% fino al giorno 14, con espressione di CD31 confermata al giorno 7. I risultati definiscono una piattaforma di biostampa validata e scalabile per lo sviluppo di graft vascolari e phantom chirurgici ad alta fedeltà meccanica, a partire da una strategia di fabbricazione comune.