Systematic analysis of the extrusion process in 3D bioprinting is mandatory for process optimization concerning production speed, shape fidelity of the 3D construct and cell viability. In this study, we applied numerical and analytical modelling to describe the fluid flow inside the printing head based on a Herschel-Bulkley model. The presented analytical calculation method nicely reproduces the results of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation concerning pressure drop over the printing head and maximal shear parameters at the outlet. An approach with dimensionless flow parameter enables the user to adapt rheological characteristics of a bioink, the printing pressure and needle diameter with regard to processing time, shear sensitivity of the integrated cells, shape fidelity and strand dimension. Bioinks consist of a blend of polymers and cells, which lead to a complex fluid behavior. In the present study, a bioink containing alginate, methylcellulose and agarose (AMA) was used as experimental model to compare the calculated with the experimental pressure gradient. With cultures of an immortalized human mesenchymal stem cell line and plant cells (basil) it was tested how cells influence the flow and how mechanical forces inside the printing needle affect cell viability. Influences on both sides increased with cell (aggregation) size as well as a less spherical shape. This study contributes to a systematic description of the extrusion-based bioprinting process and introduces a general strategy for process design, transferable to other bioinks.

中文翻译：

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基于挤出的生物打印的工程考虑：打印针中的材料性能，机械力和细胞之间的相互作用。

对于3D生物打印中的挤出过程的系统分析，对于与生产速度，3D构建体的形状保真度和细胞活力有关的过程优化而言是必不可少的。在这项研究中，我们使用数值和分析模型来描述基于Herschel-Bulkley模型的打印头内部的流体流动。提出的分析计算方法很好地重现了计算流体动力学（CFD）模拟的结果，该结果涉及打印头上的压降和出口处的最大剪切参数。具有无量纲流动参数的方法使用户能够适应生物墨水的流变特性，关于处理时间，集成单元的剪切敏感性，形状逼真度和股线尺寸的印刷压力和针头直径。生物墨水由聚合物和细胞的混合物组成，导致复杂的流体行为。在本研究中，将包含藻酸盐，甲基纤维素和琼脂糖（AMA）的生物墨水用作实验模型，以将计算得出的压力与实验压力梯度进行比较。使用永生化的人间充质干细胞系和植物细胞（基础）的培养物，测试了细胞如何影响流量以及打印针内部的机械力如何影响细胞活力。两侧的影响都随着像元（聚集）的大小以及较小的球形而增加。这项研究有助于对基于挤出的生物印刷工艺进行系统描述，并介绍了可转移至其他生物油墨的工艺设计通用策略。以甲基纤维素和琼脂糖（AMA）为实验模型，比较了计算值与实验压力梯度。在永生化的人间充质干细胞系和植物细胞（基础）的培养物中，测试了细胞如何影响血流以及打印针内部的机械力如何影响细胞活力。两侧的影响都随着像元（聚集）的大小以及较小的球形而增加。这项研究有助于对基于挤出的生物印刷工艺进行系统描述，并介绍了可转移至其他生物油墨的工艺设计通用策略。以甲基纤维素和琼脂糖（AMA）为实验模型，比较了计算值与实验压力梯度。在永生化的人间充质干细胞系和植物细胞（基础）的培养物中，测试了细胞如何影响血流以及打印针内部的机械力如何影响细胞活力。两侧的影响都随着像元（聚集）的大小以及较小的球形而增加。这项研究有助于对基于挤出的生物印刷工艺进行系统描述，并介绍了可转移至其他生物油墨的工艺设计通用策略。使用永生化的人间充质干细胞系和植物细胞（基础）的培养物，测试了细胞如何影响流量以及打印针内部的机械力如何影响细胞活力。两侧的影响都随着像元（聚集）的大小以及较小的球形而增加。这项研究有助于对基于挤出的生物印刷工艺进行系统描述，并介绍了可转移至其他生物油墨的工艺设计通用策略。使用永生化的人间充质干细胞系和植物细胞（基础）的培养物，测试了细胞如何影响流量以及打印针内部的机械力如何影响细胞活力。两侧的影响都随着像元（聚集）的大小以及较小的球形而增加。这项研究有助于对基于挤出的生物印刷工艺进行系统描述，并介绍了可转移至其他生物油墨的工艺设计通用策略。