Computational and experimental characterisation of shear-thinning bioinks for extrusion-based bioprinting

The growing shortage of transplantable organs, the rising clinical demand, and the risk of immune rejection from donor tissue have created an urgent need for alternative strategies. Bioprinting offers a promising route: by fabricating tissues and, ultimately, functional organs from the patient's own cells, it could provide patient-specific constructs that bypass rejection. The technology, however, still faces major limitations, chief among them reproducibility and reliability, production time and cost, and the high cell densities required for a functional construct. Overcoming them demands a deeper understanding of the physics governing bioink flow, where a central obstacle is the narrow biofabrication window: the conditions that preserve cell viability often compromise printing fidelity, and vice versa. This study addresses this need through a combined rheological and CFD characterisation of two widely used bioink precursors, hyaluronic acid (HA) and gelatin methacryloyl (GelMA), at two concentrations each (3%/6% and 5%/10% w/v); the lower-concentration formulations were additionally tested with encapsulated NIH 3T3 cells at high volume fraction (vf60). Rheological testing first established that all formulations are non-Newtonian and shear-thinning, a behaviour then described through the Cross, Carreau–Yasuda, and Power-law models to extract the constitutive parameters; this also revealed opposite responses to cell incorporation between the two materials (HA 3% and GelMA 5%). These parameters provided the input for CFD simulations in ANSYS Fluent, all reproducing the same converging nozzle geometry through three models: a microfluidic device (MFD), which is a 2.5D noodle-like geometry micro-PIV compatible, an axisymmetric, and a 3D, each enabling a distinct level of analysis and comparison. Predictions were validated against micro-PIV measurements on water, HA 3%, and GelMA 5%, with good agreement except for HA 3%, which revealed a clear discrepancy due to unexpected aggregation. The work establishes a reproducible rheological–computational–experimental pipeline, providing a methodological basis for future higher-concentration and cell-laden formulations.

La crescente carenza di organi trapiantabili, l'aumento della domanda clinica e il rischio di rigetto immunitario dei tessuti da donatore hanno reso urgente la ricerca di strategie alternative. Il bioprinting offre una via promettente: fabbricando tessuti e, in prospettiva, organi funzionali a partire dalle cellule del paziente stesso, potrebbe fornire costrutti paziente-specifici in grado di evitare il rigetto. La tecnologia, tuttavia, presenta ancora limiti rilevanti, primi fra tutti la riproducibilità e l'affidabilità, i tempi e i costi di produzione, e le elevate densità cellulari necessarie per ottenere un costrutto funzionale. Superarli richiede una comprensione più approfondita della fisica che governa il flusso del bioink, dove un ostacolo centrale è la stretta finestra di biofabbricazione: le condizioni che preservano la vitalità cellulare spesso compromettono la fedeltà di stampa, e viceversa. Questo studio risponde a tale esigenza attraverso una caratterizzazione combinata, reologica e CFD, di due precursori di bioink ampiamente utilizzati, l'acido ialuronico (HA) e la gelatina metacriloile (GelMA), ciascuno a due concentrazioni (3%/6% e 5%/10% w/v); le formulazioni a concentrazione più bassa sono state inoltre testate con cellule NIH 3T3 incapsulate ad alta frazione volumetrica (vf60). Le prove reologiche hanno innanzitutto stabilito che tutte le formulazioni sono non-newtoniane e shear-thinning, un comportamento successivamente descritto tramite i modelli di Cross, Carreau–Yasuda e Power-law per estrarne i parametri costitutivi; ciò ha inoltre rivelato risposte opposte all'incorporazione delle cellule tra i due materiali (HA 3% e GelMA 5%). Tali parametri hanno costituito l'input per le simulazioni CFD in ANSYS Fluent, tutte riproducenti la medesima geometria convergente dell'ugello attraverso tre modelli: un dispositivo microfluidico (MFD), ovvero una geometria 2.5D noodle-like compatibile con il micro-PIV, uno assialsimmetrico e uno 3D, ciascuno dei quali consente un distinto livello di analisi e confronto. Le previsioni sono state validate rispetto a misure micro-PIV su acqua, HA 3% e GelMA 5%, con buon accordo eccetto che per l'HA 3%, che ha rivelato una chiara discrepanza dovuta a un'aggregazione inattesa. Il lavoro stabilisce una pipeline reologico–computazionale–sperimentale riproducibile, fornendo una base metodologica per future formulazioni a concentrazione più elevata e cariche di cellule.