3D-printers kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan nuttige objecten te maken door een vorm op te bouwen, laag voor laag. Wetenschappers hebben dezelfde techniek gebruikt om levende weefsels te "bioprinten", inclusief spieren en botten.

Bioprinting is een relatief nieuwe technologie die vooral met vallen en opstaan ​​vooruit is gegaan. Wetenschappers gebruiken nu de wetten van de fysica en voorspellende computermodellering om deze technieken te verbeteren en het bioprintproces te optimaliseren. Deze nieuwe ontwikkelingen worden besproken in het nummer van 4 juni van: Technische Natuurkunde Beoordelingen .

De meest gebruikte bioprinters zijn extrusie, inkjet- en laserprinters. Elk type omvat iets andere fysica, en elk heeft zijn eigen voor- en nadelen.

Zei co-auteur Ashkan Shafiee, "De enige manier om een ​​significante overgang van 'trial and error' naar de 'predict and control'-fase van bioprinten te bereiken, is door de onderliggende fysica te begrijpen en toe te passen."

Een extrusieprinter laadt een materiaal, bekend als bioink, in een spuit en drukt deze af door de inkt eruit te persen met een zuiger of luchtdruk. De bioink kan een verzameling pure levende cellen zijn of een suspensie van cellen in een hydrogel of een polymeer. Inkjet-bioprinters werken op een vergelijkbare manier, maar gebruiken ofwel een piëzo-elektrisch kristal of een verwarming om druppels te creëren uit een kleine opening. Laserprinters richten een laserstraal op een lint, waar een dun laagje bioinkt wordt uitgesmeerd, en resulteert in een hoge levensvatbaarheid van de cellen.

Biologische producten die door bioprinting zijn gemaakt, zijn over het algemeen niet direct bruikbaar. Hoewel de printer een initiële configuratie van cellen kan maken, deze cellen zullen zich vermenigvuldigen en opnieuw samenvoegen tot een nieuwe configuratie. Het proces is vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer een embryo zich ontwikkelt, en cellen fuseren met andere cellen en sorteren zichzelf in nieuwe regio's.

Computermodelleringstechnieken werden halverwege de jaren 2010 ontwikkeld om de zelfassemblagestap van bioprinten na het printen te optimaliseren, waar kleine stukjes weefsel worden afgeleverd in een ondersteunend materiaal met de gewenste biologische structuurvorm, zoals een orgel, met bioink. De kleine fragmenten ontwikkelen zich vervolgens verder en vormen zichzelf tot de uiteindelijke biologische structuur.

Het model omvat vergelijkingen die de krachten van aantrekking en afstoting tussen cellen beschrijven. De auteurs toonden aan dat simulaties die deze methode gebruiken, bekend als cellulaire deeltjesdynamica, of CPD:voorspel correct het patroon waarin een verzameling cellen zich zal verzamelen na de eerste afdrukstap.