Computational fluid dynamics of biomaterial inks flowing through extrusion nozzles in bioprinting of substitutes for cartilaginous tissues

Abstract

A dinâmica de fluidos computacional (CFD) pode ser útil para prever o comportamento de biomateriais em bioimpressão, a fim de evitar o entupimento dos bicos de extrusão e, no caso de biomateriais incorporados em células, para evitar o desperdício de células. Na bioimpressão, as células são expostas a altas tensões de cisalhamento quando em contato com as paredes da agulha de impressão. Se as tensões excederem um valor limite, as membranas celulares podem romper. Tintas de biomateriais especialmente formuladas para bioimpressão de substitutos de tecidos cartilaginosos foram caracterizadas por suas propriedades reológicas, e os dados obtidos foram utilizados em simulações de dinâmica de fluidos do escoamento através de bicos de extrusão. Algumas composições continham matriz extracelular em pó derivada de cartilagem desvitalizada (DVC), adicionada para dar a complexidade bioquímica necessária ao material bioimpresso, e outras continham policaprolactona (PCL), adicionada para dar maior resistência mecânica. As simulações indicaram tensões de cisalhamento muito altas (maiores que 4kPa) durante a extrusão para composições contendo PCL, o que poderia causar ruptura celular em grande extensão. Conclui-se que, para essas composições, a adição de células aos scaffolds deve ser feita preferencialmente após a bioimpressão, ao invés de utilizar um biomaterial incorporado em células, pois a viabilidade celular após a extrusão tende a ser baixa.