Machine learning-based design strategy for 3D printable bioink: elastic modulus and yield stress determine printability

材料科学 弹性模量 3D生物打印 3D打印 产量(工程) 脆性 模数 生物相容性材料 复合材料 生物医学工程 计算机科学 组织工程 工程类
作者
Joo‐Young Lee,Seung Ja Oh,Sang‐Hyun An,Wan-Doo Kim,Sang‐Heon Kim
出处
期刊:Biofabrication [IOP Publishing]
卷期号:12 (3): 035018-035018 被引量:161
标识
DOI:10.1088/1758-5090/ab8707
摘要

Although three-dimensional (3D) bioprinting technology is rapidly developing, the design strategies for biocompatible 3D-printable bioinks remain a challenge. In this study, we developed a machine learning-based method to design 3D-printable bioink using a model system with naturally derived biomaterials. First, we demonstrated that atelocollagen (AC) has desirable physical properties for printing compared to native collagen (NC). AC gel exhibited weakly elastic and temperature-responsive reversible behavior forming a soft cream-like structure with low yield stress, whereas NC gel showed highly crosslinked and temperature-responsive irreversible behavior resulting in brittleness and high yield stress. Next, we discovered a universal relationship between the mechanical properties of ink and printability that is supported by machine learning: a high elastic modulus improves shape fidelity and extrusion is possible below the critical yield stress; this is supported by machine learning. Based on this relationship, we derived various formulations of naturally derived bioinks that provide high shape fidelity using multiple regression analysis. Finally, we produced a 3D construct of a cell-laden hydrogel with a framework of high shape fidelity bioink, confirming that cells are highly viable and proliferative in the 3D constructs.
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