Gelatin-based photo-crosslinkable hydrogels are promising scaffold materials to serve regenerative medicine. They are widely applicable in additive manufacturing, which allows for the production of various scaffold microarchitectures in line with the anatomical requirements of the organ to be replaced or tissue defect to be treated. Upon their in vivo utilization, the main bottleneck is to monitor cell colonization along with their degradation (rate). In order to enable non-invasive visualization, labeling with MRI-active components like N-(2,2-difluoroethyl)acrylamide (DFEA) provides a promising approach. Herein, we report on the development of a gelatin-methacryloyl-aminoethyl-methacrylate-based biomaterial ink in combination with DFEA, applicable in digital light processing-based additive manufacturing towards bone tissue regeneration. The fabricated hydrogel constructs show excellent shape fidelity in line with the printing resolution, as DFEA acts as a small molecular crosslinker in the system. The constructs exhibit high stiffness (E = 36.9 ± 4.1 kPa, evaluated via oscillatory rheology), suitable to serve bone regeneration and excellent MRI visualization capacity. Moreover, in combination with adipose tissue-derived stem cells (ASCs), the 3D-printed constructs show biocompatibility, and upon 4 weeks of culture, the ASCs express the osteogenic differentiation marker Ca2+.

Over the past decade, silk sericin has emerged as a promising material for biomedical applications, especially in tissue engineering, where fine-tuning the physicochemical properties is crucial. However, previous studies, including those on the methacrylation of sericin (yielding SS-MA), showed limited tunability. Here, we developed a photo-cross-linkable sericin-based material modified with 2-aminoethyl methacrylate (AEMA) using two synthesis routes: sequential modification of SS-MA with AEMA (SS-MA-AEMA) and an efficient one-pot synthesis (SS-AEMA). The one-pot synthesis yielded materials containing only methacrylate groups, unlike the sequential modification that yielded a combination of methacrylamides and methacrylates. Our approach resulted in superior physicochemical properties. The resulting materials, including the previously described SS-MA, exhibited a broad range of properties, such as cross-linking kinetics (0.9–64.0 s), swelling behavior (311–3775%), and mechanical properties (10–140 kPa). These properties support applications across various tissues, from dermis to fibrous tissue. The materials also demonstrated fibroblast cytocompatibility with cell viabilities exceeding 96%.

Abstract Volumetric bioprinting has revolutionized the field of biofabrication by enabling the creation of cubic centimeter-scale living constructs at faster printing times (in the order of seconds). However, a key challenge remains: developing a wider variety of available osteogenic bioinks that allow osteogenic maturation of the encapsulated cells within the construct. Herein, the bioink exploiting a step-growth mechanism (norbornene-norbornene functionalized gelatin in combination with thiolated gelatin - GelNBNBSH) outperformed the bioink exploiting a chain-growth mechanism (gelatin methacryloyl - GelMA), as the necessary photo-initiator concentration was three times lower combined with a more than 50 % reduction in required light exposure dose resulting in an improved positive and negative resolution. To mimic the substrate elasticity of the osteoid, two concentrations of the photo-initiator Li-TPO-L (1 and 10 mg/ml) were compared for post-curing whereby the lowest concentration was selected since it resulted in attaining the osteogenic substrate elasticity combined with excellent biocompatibility with HT1080 cells (> 95 %). Further physico-chemical testing revealed that the volumetric printing process affected the degradation time of the constructs with volumetric constructs degrading slower than the control sheets which could be due to the introduced fibrillar structure inherent to the volumetric printing process. Moreover, GelNBNBSH volumetric constructs significantly outperformed the GelMA volumetric constructs in terms of a 2-fold increase in photo-crosslinkable moiety conversion and a 3-fold increase in bulk stiffness of the construct. Finally, a 21-day osteogenic cell study was performed with highly viable dental pulp-derived stem cells (> 95 %) encapsulated within the volumetric printed constructs. Osteogenesis was greatly favored for the GelNBNBSH constructs through enhanced early (alkaline phosphatase activity) and late maturation (calcium production) osteogenic markers. After 21 days, a secretome analysis revealed a more mature osteogenic phenotype within GelNBNBSH constructs as compared to their chain-growth counterpart in terms of osteogenic, immunological and angiogenic signalling.