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High-precision path planning for multi-material 3D bioprinting of complex structures

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作者
Wenyu Ning,Fei Duan,Lily Raymond,Weikang Lv,Jiangtao Hao,Yang Yang,Wenbo Jin,Jian Yang,Shijun Li,Sai Ma,Cheng Zhang,Prof. Yifei Jin,Danyang Zhao
出处
期刊:Biofabrication [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1758-5090/ae36f8
摘要

Abstract Multi-nozzle collaborative bioprinting enables high-precision fabrication of complex tissue and organ models through synchronous deposition of heterogeneous bioinks within a shared substrate, offering a promising solution for efficient construct generation. However, challenges remain, including nozzle motion interference and inconsistent geometric fidelity when printing asymmetric structures with heterogeneous materials. This study proposes a multi-nozzle collaborative and alternating printing path (MN-CAPP) planning strategy that integrates intra-layer repartitioning with adaptive mode switching to optimize the fabrication of complex heterogeneous tissues. By printing two Y-shaped vascular models with distinct interfaces, MN-CAPP preserves the efficiency advantages of collaborative printing for symmetric regions, improving printing efficiency by 32.4% and 33.0%, respectively, compared with single-nozzle printing. Furthermore, MN-CAPP adaptively regulates printing strategies for regions with significant nozzle step differences based on ink rheology and printing parameters. During the fabrication of size-differentiated scaffolds, the proposed path effectively suppresses edge material stack in small-scale scaffolds, resulting in a 33.8% improvement in pore diffusion degree relative to conventional collaborative printing. Finally, successful fabrication of a heterogeneous rabbit hepatobiliary model demonstrates a deviation of ≤ 4% in critical feature dimensions from design specifications, confirming MN-CAPP’s effectiveness in enhancing both printing precision and dimensional reproducibility for complex asymmetric structures.
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