Utilisation of first Polish multifunctional 3D bioprinter BioCloner Desktop for printing hydrogel cell scaffolds in controlled clean environment – case study

ABSTRACT: In this article novel technological solutions for applying additive manufacturing technologies in the biomedical and biotechnological industry are showcased. The BioCloner Desktop (referred to as ‘Desktop’) is a miniaturised version of an industrial printer developed as part of a project regarding utilising additive manufacturing technologies for manufacturing of bioresorbable implants. In the years 2016–2019, the project was financed from EU resources (project number POIR.01.01.01-00-0044/16-00). During this project, industrial-sized solutions dedicated for medical and pharmaceutical applications were developed.
The Desktop was developed as a way of expanding the possibilities of research and development in a standard biomedical laboratory. The size of the described printer allows it to be placed inside a laminar flow cabinet.
The Desktop is a device which meets the growing need for multipurpose compact desktop bioprinters dedicated for research and development applications. Currently, commercially available laboratory-scale machines lack an open architecture, which puts boundaries on research. Miniaturisation of the BioCloner bioprinter did not sacrifice its key feature of supporting multitool print and convenience of construction for further specialisation.
The BioCloner project, besides bioprinters, also includes dedicated slicing and printer control software. Thanks to its multiplatform compatibility, it is possible to easily increase the scale of production directly after the research process.
The Desktop is equipped with printheads that facilitate multiple methods of 3D printing. From the most popular fused filament fabrication (FFF) to the versatile fused granulate fabrication (FGF) to highly specialised printheads for bioprinting, designed to dispense hydrogels via pressure extrusion. The printheads have also additional features required in the bioprinting process, such as UV crosslinking lights and temperature control (heating as well as cooling).
In this article, key features of both the BioCloner Desktop bioprinter and the dedicated BioCloner 3D slicing-operating software are outlined. Its second part is a report on the bioprinter’s usage in the Biomedical Engineering Laboratory, named after E.J. Brzeziński, located at Faculty of Mechanical and Industrial Engineering of Warsaw University of Technology. During the study, hydrogel cell scaffolds for culturing WEHI-164 mouse fibroblasts were produced. The structures were obtained using a gelatin methacrylate (GelMa)-based commercially available bioink deposited directly into a cell culture vessel. The structures were fully crosslinked immediately after printing.
All printed scaffolds supported cell proliferation. There were no observed signs of contamination, and the conducted field tests confirmed the assumed functionality of the BioCloner Desktop bioprinter.

KEYWORDS: 3D printing, 3D bioprinting, cell scaffolds, tissue engineering, additive manufacturing

STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono nowatorskie rozwiązania techniczne pozwalające na wykorzystanie technologii addytywnego wytwarzania w branżach biomedycznej i biotechnologicznej. BioCloner Desktop (dalej: „Desktop”) jest zminiaturyzowanym rozwiązaniem opracowanym w ramach trwającego od 2016 r. projektu BioCloner, mającego na celu wdrożenie technik przyrostowych w procesie produkcji implantów wchłanialnych. Projekt ten w latach 2016–2019 był finansowany ze środków UE (projekt POIR.01.01.01-00-0044/16-00 – Pierwsza polska biodrukarka dedykowana do implantów wchłanialnych – BioCloner). W ramach projektu BioCloner opracowano rozwiązania wielkogabarytowe przeznaczone do zastosowania w branży medycznej i farmaceutycznej.
Desktop został opracowany z myślą o poszerzeniu możliwości prac badawczo-rozwojowych w typowym laboratorium biomedycznym. Wymiary drukarki BioCloner Desktop pozwalają na pracę w warunkach podwyższonej czystości oraz wewnątrz komory laminarnej. Desktop stanowi odpowiedź na rosnące wymagania stawiane przed kompaktowymi drukarkami nabiurkowymi wykorzystywanymi w pracach badawczo-rozwojowych. Dostępne na rynku urządzenia przeznaczone do biodruku w skali laboratoryjnej nie posiadają otwartej architektury, przez co ograniczają zakres prowadzonych prac badawczo-rozwojowych. Przy zmniejszeniu biodrukarki 3D zachowano wyróżniające BioCloner cechy – wsparcie druku wielogłowicowego oraz otwartość konstrukcji, która pozwala na rozwijanie kompatybilnych głowic i akcesoriów wspierających proces biodrukowania 3D. Projekt BioCloner poza wymienionymi biodrukarkami 3D obejmuje również dedykowane oprogramowanie sterujące zawierające kluczowe z perspektywy biodruku funkcjonalności. Dzięki międzyplatformowej kompatybilności sterowników możliwe będzie szybkie zwiększenie skali produkcji po zakończeniu prac badawczo-rozwojowych.
Desktop jest wyposażony w głowice wspierające różne metody druku przestrzennego. Od najpopularniejszego druku termoplastycznym filamentem fused filament fabrication (FFF), poprzez druk wykorzystujący nadtopiony granulat fused granulate fabrication (FGF), po głowice ciśnieniowe opracowane specjalnie do wymagań stawianych przez biodruk. Przykładem tego są głowice przeznaczone do ekstruzji ciśnieniowej hydrożeli z wieloma dodatkowymi funkcjami, takimi jak sieciowanie UV oraz kontrola temperatury (zarówno grzanie, jak i chłodzenie).
Opisywana w artykule drukarka została przetestowana w Laboratorium Inżynierii Biomedycznej im. E.J. Brzezińskiego mieszczącym się na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Warszawskiej. Wytworzono w nim rusztowania do hodowli fibroblastów mysich
WEHI-164. Struktury zostały wydrukowane z hydrożelu bazującego na metakrylowanej żelatynie (GelMa), bezpośrednio w naczyniu przeznaczonym do dalszej inkubacji hodowli.
Wszystkie otrzymane struktury pozwalały na zagnieżdżenie się i proliferację rozważanych w badaniu komórek. Nie zaobserwowano oznak zakażenia w trakcie hodowli. Przeprowadzone testy potwierdzają zakładaną funkcjonalność biodrukarki Desktop.

SŁOWA KLUCZOWE: druk 3D, biodruk 3D, rusztowania komórkowe, inżynieria tkankowa, metody przyrostowe

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

[1] Amroune S., Belaadi A., Zaoui M., Menaseri N., Mohamad B., Saada K., Benyettou R. “Manufacturing of rapid prototypes of mechanical parts using reverse engineering and 3D printing”. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics. 15, 1 (2021): 167–176.

[2] Arif Z.U., Khalid M.Y., Noroozi R., Hossain M., Shi H.T.H., Tariq A., Ramakrishna S., Umer R. “Additive manufacturing of sustainable biomaterials for biomedical applications”. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences. 18, 3 (2023): 1–36.

[3] Bozkurt Y., Karayel E. “3D printing technology; methods, biomedical applications, future opportunities and trends”. Journal of Materials Research and Technology. 14 (2021): 1430–1450.

[4] Chandra G., Pandey A. “Biodegradable bone implants in orthopedic applications: a review”. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 40, 2 (2020): 596–610, https://doi.org/10.1016/j.bbe.2020.02.003.

[5]Chinaglia S., Tosin M., Degli-Innocenti F. “Biodegradation rate of biodegradable plastics at molecular level”. Polymer Degradation and Stability. 147 (2018):237–244, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.12.011.

[6]Choudhury D., Anand S., Naing M.W. “The arrival ofcommercial bioprinters – Towards 3D bioprinting revolution!”. International Journal of Bioprinting. 4, 2(2018): 1–20, https://doi.org/10.18063/IJB.v4i2.139.

[7]Dababneh A.B., Ozbolat I.T. „Bioprinting Technology: A Current State-of-the-Art Review”. Journal ofManufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME. 136, 6 (2014): 1–11, https://doi.org/10.1115/1.4028512.

[8]Jandyal A., Chaturvedi I., Wazir I., Raina A., Ul Haq M.I.“3D printing – A review of processes, materials and applications in industry 4.0”. Sustainable Operations andComputers. 3 (2022): 33–42, https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004.

[9]Li L., Lu C., Wang L., Chen M., White J.F., Hao X., McleanK.M., Chen H., Hughes T.C. “Gelatin-based photo curablehydrogels for corneal wound repair”. Applied Materials& Interfaces. 10, 16 (2018): 13283–13292, https://doi.org/10.1021/acsami.7b17054.

[10]Ragaert K., Dekeyser A., Cardon L., Degrieck J. “Quantification of thermal material degradation during theprocessing of biomedical thermoplastics”. Journal ofApplied Polymer Science. 120, 5 (2011): 2872–2880,https://doi.org/10.1002/app.33323.

[11]Rizwan M., Chan S. W., Comeau P.A., Willett T.L., YimE.K.F. “Effect of sterilization treatment on mechanicalproperties, biodegradation, bioactivity and printabilityof GelMA hydrogels”. Biomedical Materials (Bristol). 15,6 (2020): 1–23, https://doi.org/10.1088/1748-605X/aba40c.

[12]Shiwarski D.J., Hudson A.R., Tashman J.W., FeinbergA.W. “Emergence of FRESH 3D printing as a platformfor advanced tissue biofabrication”. APL Bioengineering. 5, 1 (2021): 1–14, https://doi.org/10.1063/5.0032777.

[13]Sithole M.N., Kumar P., Du Toit L.C., Erlwanger K.H.,Ubanako P.N., Choonara Y.E. “A 3D-Printed Biomaterial Scaffold Reinforced with Inorganic Fillers for BoneTissue Engineering: In Vitro Assessment and In VivoAnimal Studies”. International Journal of MolecularSciences. 24, 8 (2023): 1–26, https://doi.org/10.3390/ijms24087611.

[14] Sobral J.M., Caridade S.G., Sousa R.A., Mano J.F., Reis R.L. “Three-dimensional plotted scaffolds with controlledpore size gradients: Effect of scaffold geometry on mechanical performance and cell seeding efficiency”. ActaBiomaterialia. 7, 3 (2011): 1009–1018, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2010.11.003.

[15]Suntornnond R., An J., Chua C.K. “Bioprinting of Thermoresponsive Hydrogels for Next Generation TissueEngineering: A Review”. Macromolecular Materialsand Engineering. 302, 1(2016): 1–15, https://doi.org/10.1002/mame.201600266.

[16] Xu T., Rodriguez-Devora J.I., Reyna-Soriano D., Bhuyan M.,Zhu L., Wang K., Yuan Y. ”Principles of BioprintingTechnology”. Regenerative Medicine Applications inOrgan Transplantation. Oxford: Elsevier LTD, 2014.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2024.4.8

 

* Artykuł recenzowany