3D bioprinting has seen a tremendous growth in recent years in a variety of fields such as tissue and organ models, drug testing and regenerative medicine. This growth has led researchers and manufacturers to continuously advance and develop novel bioprinting techniques and materials. Although new bioprinting methods are emerging (e.g. contactless and volumetric bioprinting), micro-extrusion bioprinting remains the most widely used method. Micro-extrusion bioprinting, however, is still largely dependent on the conventional pneumatic extrusion process, which relies heavily on homogenous biomaterial inks and bioinks to maintain a constant material flowrate. Augmenting the functionality of the bioink with the addition of nanoparticles, cells or biopolymers can induce inhomogeneities resulting in uneven material flow during printing and/or clogging of the nozzle, leading to defects in the printed construct. In this work, we evaluated a novel extrusion technique based on a miniaturized progressive cavity pump. We compared the accuracy and precision of this system to the pneumatic extrusion system and tested both for their effect on cell viability after extrusion. The progressive cavity pump achieved a significantly higher accuracy and precision compared to the pneumatic system while maintaining good viability and was able to maintain its reliability independently of the bioink composition, printing speed or nozzle size. Progressive cavity pumps are a promising tool for bioprinting and could help provide standardized and validated bioprinted constructs while leaving the researcher more freedom in the design of the bioinks with increased functionality.

Abstract Generating 3D bone cell networks in vitro that mimic the dynamic process during early bone formation remains challenging. Here, we report a synthetic biodegradable microporous hydrogel for efficient formation of 3D networks from human primary cells, analysis of cell-secreted extracellular matrix (ECM) and microfluidic integration. Using polymerization-induced phase separation, we demonstrate dynamic in situ formation of microporosity (5–20 µm) within matrix metalloproteinase-degradable polyethylene glycol hydrogels in the presence of living cells. Pore formation is triggered by thiol-Michael-addition crosslinking of a viscous precursor solution supplemented with hyaluronic acid and dextran. The resulting microporous architecture can be fine-tuned by adjusting the concentration and molecular weight of dextran. After encapsulation in microporous hydrogels, human mesenchymal stromal cells and osteoblasts spread rapidly and form 3D networks within 24 hours. We demonstrate that matrix degradability controls cell-matrix remodeling, osteogenic differentiation, and deposition of ECM proteins such as collagen. Finally, we report microfluidic integration and proof-of-concept osteogenic differentiation of 3D cell networks under perfusion on chip. Altogether, this work introduces a synthetic microporous hydrogel to efficiently differentiate 3D human bone cell networks, facilitating future in vitro studies on early bone development.