Abstract Tomographic volumetric bioprinting (VBP) has recently emerged as a powerful tool for rapid solidification of cell-laden hydrogel constructs within seconds. However, its practical applications in tissue engineering requires a detailed understanding of how different printing parameters (concentration of resins, laser dose) affect cell activity and tissue formation. Herein, we explore a new application of VBP in bone tissue engineering by merging a soft gelatin methacryloyl (GelMA) bioresin (<5 kPa) with 3D endothelial co-culture to generate heterocellular bone-like constructs with enhanced functionality. To this, a series of bioresins with varying concentrations of GelMA and lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate (LAP) photoinitiator were formulated and characterized in terms of photo-reactivity, printability and cell-compatibility. A bioresin with 5% GelMA and 0.05% LAP was identified as the optimal formulation for VBP of complex perfusable constructs within 30 s at high cell viability (>90%). The fidelity was validated by micro-computed tomography and confocal microscopy. Compared to 10% GelMA, this bioresin provided a softer and more permissive environment for osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs). The expression of osteoblastic markers (collagen-I, ALP, osteocalcin) and osteocytic markers (podoplanin, Dmp1) was monitored for 42 days. After 21 days, early osteocytic markers were significantly increased in 3D co-cultures with human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Additionally, we demonstrate VBP of a perfusable, pre-vascularized model where HUVECs self-organized into an endothelium-lined channel. Altogether, this work leverages the benefits of VBP and 3D co-culture, offering a promising platform for fast scaled biofabrication of 3D bone-like tissues with unprecedented functionality. Graphical abstract Statement of significance This study explores new strategies for ultrafast bio-manufacturing of bone tissue models by leveraging the advantages of tomographic volumetric bioprinting (VBP) and endothelial co-culture. After screening the properties of a series of photocurable gelatin methacryloyl (GelMA) bioresins, a formulation with 5% GelMA was identified with optimal printability and permissiveness for osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSC). We then established 3D endothelial co-cultures to test if the heterocellular interactions may enhance the osteogenic differentiation in the printed environments. This hypothesis was evidenced by increased gene expression of early osteocytic markers in 3D co-cultures after 21 days. Finally, VBP of a perfusable cell-laden tissue construct is demonstrated for future applications in vascularized tissue engineering.

Abstract Macroporous scaffolds facilitate solute transport and cell-cell communication, but materials allowing for in situ pore formation and 3D printing in aqueous solutions are scarce. Here, we introduce an efficient thiol-ene photoclick resin for light-assisted fabrication of cell-compatible macroporous hydrogels via photopolymerization-induced phase separation (PIPS). This resin consists of norbornene-functionalized polyvinyl alcohol, di-thiol crosslinker and dextran sulfate, which can rapidly form a hydrogel with interconnected pores by PIPS. The pore size is tunable in the range of 2-40 μm as a function of light intensity, polymer composition and molecular charge. Unlike conventional methods to porous materials, PIPS uniquely allows in situ pore formation in the presence of living cells, thereby enabling 3D cell culture and bioprinting applications. We demonstrate fast 3D photoencapsulation of living cells, enhanced cell spreading in macroporous hydrogels, and tomographic volumetric bioprinting of cm-scale hydrogel constructs with hierarchical pores within 20 seconds. Collectively, this resin is cell-compatible, low-cost, easy-to-make and highly efficient for PIPS, offering promises for fast photofabrication of living tissues with complex porous structures.

Abstract Tomographic volumetric bioprinting (VBP) enables fast photofabrication of cell-laden hydrogel constructs in one step, addressing the limitations of conventional layer-by-layer additive manufacturing. However, existing biomaterials that fulfill the physicochemical requirements of VBP are limited to gelatin-based photoresins of high polymer concentrations. The printed microenvironments are predominantly static and stiff, lacking sufficient capacity to support 3D cell growth. We here report a dynamic resin based on thiol-ene photo-clickable polyvinyl alcohol (PVA) and thermo-sensitive sacrificial gelatin for fast VBP of functional ultrasoft cell-laden hydrogel constructs within 7-15 seconds. Using gelatin allows VBP of permissive hydrogels with low PVA contents of 1.5%, providing a stress-relaxing environment for fast cell spreading, 3D osteogenic differentiation of embedded human mesenchymal stem cells and matrix mineralization. Additionally, site-specific immobilization of molecules-of-interest inside a PVA hydrogel is achieved by 4D tomographic thiol-ene photopatterning. This technique may enable spatiotemporal control of cell-material interactions and guided in vitro tissue formation using programmed cell-friendly light. Altogether, this study introduces a synthetic dynamic photoresin enabling fast VBP of functional ultrasoft hydrogel constructs with well-defined physicochemical properties and high efficiency.

Spatiotemporally controlled two-photon photodegradation of hydrogels has gained increasing attention for high-precision subtractive tissue engineering. However, conventional photolabile hydrogels often have poor efficiency upon two-photon excitation in the near-infrared (NIR) region and thus require high laser dosage that may compromise cell activity. As a result, high-speed two-photon hydrogel erosion in the presence of cells remains challenging. Here we introduce the design and synthesis of efficient coumarin-based photodegradable hydrogels to overcome these limitations. A set of photolabile coumarin-functionalized polyethylene glycol linkers are synthesized through a Passerini multicomponent reaction. After mixing these linkers with thiolated hyaluronic acid, semi-synthetic photodegradable hydrogels are formed in situ via Michael addition crosslinking. The efficiency of photodegradation in these hydrogels is significantly higher than that in nitrobenzyl counterparts upon two-photon irradiation at 780 nm. A complex microfluidic network mimicking the bone microarchitecture is successfully fabricated in preformed coumarin hydrogels at high speeds of up to 300 mm s