Biological 3D Printing for in Situ Repair of Irregular Wounds

Concrete is endowed with good printability and strength through the infiltration of stones by cement, and is also a common material for architectural 3D printing. Inspired by concrete, Professor He Yong's team (EFL team) from the School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, proposed a new idea of "bio-concrete" ink: pre-functionalized cell-laden microspheres as "stones", high concentration of GelMA hydrogel prepolymerization solution as "cement", and a new "bio-concrete" ink. The team has developed a robotic in situ bio-3D printing system to achieve in situ repair of irregular wounds.

In situ bio-3D printing system combines surgical robotics and bio-3D printing technology to regenerate and repair tissue by depositing therapeutic bioink directly on the defect according to the morphology of the patient's tissue. In-situ bio-3D printing has many advantages because of the variability of application scenarios, which add many demanding requirements compared to conventional bio-3D printing.

1. Variable environment at the printing end: in the in situ printing scenario, the printing environment may be a battlefield, disaster relief, and other environmentally variable occasions, requiring stable ink rheology performance that does not affect printing performance when the printing environment changes from low to high temperatures over a wide temperature range.

2. repair at the blood and water and other effects: the ink should be able to maintain the structure at higher body temperatures and infiltration environment filled with blood and water does not collapse, the printed cells can efficiently survive, and rapid functionalization to play a role in damage repair as soon as possible.

3. Rapid functionalization: Compared with conventional biological 3D printing, which can be functionalized by prolonged perfusion, in situ printing requires the printed tissues to perform emergency functions quickly, and how to make the printed tissues functional quickly is an urgent problem.

4. superior adhesion properties: the printed structure needs to form a certain bond with the defective tissue to prevent it from detaching from the defect in the in vivo repair and causing secondary damage.

5. Acute rescue and treatment portability: the ink is suitable to be carried in the field in first aid kits for military, firefighting and other high-risk areas of emergency relief.

 

Compared with conventional bio-ink, "bio-concrete" ink has the following characteristics.

1. low strength cellular microspheres in the ink and high concentration of hydrogel printing in the microscopic similar to a series of microspheres + spring, local low modulus, overall high modulus, both cell development and printing structure shape maintenance ability.

2. the ink is not directly using cells as raw material, but cell spheres that have been cultured and have microstructure function, which can function faster in damaged locations after printing and accelerate tissue repair.

3. the ink has good temperature stability and can be printed in situ within the range of 4-37 °C.

4. since the ink body is a stable cured hydrogel microsphere, its deposition in the blood-water environment can also maintain the 3D morphology.

5. good adhesion of the printed structures thanks to the infiltration and hydrogen bonding of the hydrogel prepolymerization solution on the surface of the defective tissue.

6. the ink can be carried to the field by liquid nitrogen freezing, which is expected to be used for acute treatment in harsh environments such as battlefield and disaster relief.

 

In order to verify the adaptability of "bio-concrete" ink in in-situ printing scenarios, researchers have characterized the ink's rheological robustness, in-situ printability, composite mechanical properties, print/tissue binding, and in vivo repair ability, and designed an emergency rescue kit to make the ink system more portable.

Rheological robustness: Unlike crystals that have a fixed melting point (freezing point), the sol/gel state of temperature-sensitive bioink matrix materials such as gelatin is greatly influenced by temperature, which makes its rheological properties susceptible to temperature effects. In rheological characterization, the "bio-concrete" ink exhibits Bingham fluid properties and is highly robust to a wide range of temperature variations (4-37 °C) due to the dominant position of hydrogel microspheres in the ink system, allowing it to adapt to the complex and variable environmental conditions of in situ printing scenarios.

In situ printability: "Bio Concrete" inks can form uniform extruded fibers at low, medium and high temperatures at the extrusion end. Also, on the deposition side, it can be observed that even when conventional inks are extruded at the right extrusion printing temperature, they quickly over-solubilize and turn into a liquid, losing their 3D structure due to the high temperature of the receiving platform and the "blood" that fills it. The "bio-concrete" ink, on the other hand, is a stable photocross-linked microsphere, which can maintain a good 3D structure even in a high temperature and "blood" filled receiving environment. This demonstrates the ability of "bio-concrete" inks to adapt to the complex environment of the patient's injury during in-situ printing.

 

Print body/tissue bonding: The "cement" component of the "bioconcrete" ink can infiltrate the tiny gaps in the defective tissue, and after photo-crosslinking, it can form greater friction with the defective tissue and form stronger tissue bonding under the action of hydrogen bonding, preventing the print The photo-crosslinking creates a stronger tissue bonding force with the defect tissue and prevents the print from detaching.

Compound mechanical properties: The results of mechanical tests and simulations show that the high-strength network formed by the low-strength hydrogel microspheres in the "bioconcrete" ink and the high-concentration GelMA prepolymer after curing solves the contradiction between biocompatibility and mechanical properties, and confirms its mechanical suitability for in-situ printing.

Tissue repair ability: Since the "stone" phase is pre-functionalized cellular microspheres, it has good activity after printing to the traumatic location and can be functionalized rapidly, which can achieve effective repair of rat skull in 4 weeks.

 

Portability: A portable solution was designed for the "bio-concrete" ink, including an emergency kit with a thermos cup and liquid nitrogen for the "stone" and "cement" components, a mobile power supply, a USB heating pad, a sterile syringe, and a USB memory stick. The USB heating pad, sterile syringe, 3D printing nozzle, reagent spoon, paper towel, etc. can be combined with small robotic printing system or manual printing mode to quickly perform in-situ repair surgery in the field, making it suitable for on-site emergency rescue work in multiple scenarios in the future.

In addition, in real clinical cases, the tissue defects of patients can be caused by a variety of reasons, and the morphology and size of the defective structures caused by the accident can be very different. In order to verify the in-situ printing and repair capability of "bioconcrete" inks for different tissue defects, four rat "patient" models with different shapes and sizes of skull defects (approximately "rectangular The four rat "patient" models with different shapes and sizes of cranial defects (stretching body defect models with "rectangle", "square", "trapezoid", and "triangle" as the base surface) were used as four "patient" models with different cranial injury patterns and requiring in situ printing for repair. The in-situ printing platform is a robotic arm system.

A robotic arm system was used for the in situ printing platform, and a syringe pump system was clamped to the arm to provide a constant flow of ink. A conical plastic nozzle was used for the in situ printhead. In-situ printing was performed on the "patient" defect according to the different 3D structures of the skull defects of the "patient". After printing, the ink was light-cured using a 405 nm blue flashlight, and the patient's wound was finally sutured and disinfected. The experimental results showed that the "bio-concrete" ink is highly feasible and repairable for in situ repair of each "patient".