Abstract Aspiration-assisted freeform bioprinting (AAfB) has emerged as a promising technique for precise placement of tissue spheroids in three-dimensional (3D) space for fabrication of tissues. For successful embedded bioprinting using AAfB, an ideal support bath should possess shear-thinning behavior and yield-stress to obtain tightly fused assembly of bioprinted spheroids. Several studies have demonstrated support baths for embedded bioprinting, but these materials pose major challenges due to their low biocompatibility, opaqueness, complex and prolonged preparation procedures, and limited spheroid fusion efficacy. In this study, to circumvent the aforementioned limitations, we present the feasibility of AAfB of human mesenchymal stem cell (hMSC) spheroids in alginate microgels as a support bath. First, alginate microgels were prepared with different particle sizes modulated by blending time and concentration, followed by determination of the optimal bioprinting conditions by the assessment of rheological properties, bioprintability, and spheroid fusion efficiency. The bioprinted and consequently self-assembled tissue structures made of hMSC spheroids were osteogenically induced for bone tissue formation. Alongside, we investigated the effects of peripheral blood monocyte-derived osteoclast incorporation into the hMSC spheroids in heterotypic bone tissue formation. We demonstrated that alginate microgels enabled unprecedented positional accuracy (~5%), transparency for visualization, and improved fusion efficiency (~97%) of bioprinted hMSC spheroids for bone fabrication. This study demonstrates the feasibility of using alginate microgels as a support bath for many different applications including but not limited to freeform bioprinting of spheroids, cell-laden hydrogels, and fugitive inks to form viable tissue constructs.

Tissue biofabrication mimicking organ-specific architecture and function requires physiologically-relevant cell densities. Bioprinting using spheroids can achieve this, but is limited due to the lack of practical, scalable techniques. This study presents HITS-Bio (High-throughput Integrated Tissue Fabrication System for Bioprinting), a multiarray bioprinting technique for rapidly positioning multiple spheroids simultaneously using a digitally-controlled nozzle array (DCNA). HITS-Bio achieves an unprecedented speed, ten times faster compared to existing techniques while maintaining high cell viability ( > 90%). The utility of HITS-Bio was exemplified in multiple applications, including intraoperative bioprinting with microRNA transfected human adipose-derived stem cell spheroids for calvarial bone regeneration ( ~ 30 mm3) in a rat model achieving a near-complete defect closure (bone coverage area of ~ 91% in 3 weeks and ~96% in 6 weeks). Additionally, the successful fabrication of scalable cartilage constructs (1 cm3) containing ~600 chondrogenic spheroids highlights its high-throughput efficiency (under 40 min per construct) and potential for repairing volumetric defects. HITS-Bio, a high-throughput bioprinting platform, rapidly assembles spheroids to mimic native tissue architecture. Its intraoperative application in bone shows near-complete calvarial defect repair in rats and fabrication of scalable cartilage.

Abstract Microgels have recently received widespread attention for their applications in a wide array of domains such as tissue engineering, regenerative medicine, and cell and tissue transplantation because of their properties like injectability, modularity, porosity, and the ability to be customized in terms of size, form, and mechanical properties. However, it is still challenging to mass produce microgels with diverse sizes and tunable properties. Herein, we developed an air-assisted co-axial device (ACAD) for continuous production of microgels in a high-throughput manner. To test its robustness, microgels of multiple hydrogels and their combination, including alginate (Alg), gelatin methacrylate (GelMA) and Alg-GelMA, were formed at a maximum production rate of 65,000 microgels per sec while retaining circularity and a size range of 50-500 μm based on varying air pressure levels. The ACAD platform allowed single and multiple cell encapsulation with around 75% efficiency. These microgels illustrated appealing rheological properties such as yield stress, viscosity, and shear modulus for bioprinting applications. Specifically, Alg microgels have the potential to be used as a sacrificial support bath while GelMA microgels have potential for direct extrusion both on their own or when loaded in a bulk GelMA hydrogel. Generated microgels showed high cell viability (>90%) and proliferation over 7 days with their increased interactions with cells, particularly for GelMA microgels. The developed strategy provides a facile and rapid approach without any complex or expensive consumables and accessories for scalable high-throughput microgel production for cell therapy, tissue regeneration and 3D bioprinting applications.

Abstract Engineering functional tissues and organs remains a fundamental pursuit in biofabrication. However, the accurate constitution of complex shapes and internal anatomical features of specific organs, including their intricate blood vessels and nerves, remains a significant challenge. Inspired by the Matryoshka doll, we here introduce a new method called ‘Intra-Embedded Bioprinting (IEB),’ building upon existing embedded bioprinting methods. We used a xanthan gum-based material, which served a dual role as both a bioprintable ink and a support bath, due to its unique shear-thinning and self-healing properties. We demonstrated IEB’s capabilities in organ modelling, creating a miniaturized replica of a pancreas using a photocrosslinkable silicone composite. Further, a head phantom and a Matryoshka doll were 3D printed, exemplifying IEB’s capability to manufacture intricate, nested structures. Towards the use case of IEB and employing innovative coupling strategy between extrusion-based and aspiration-assisted bioprinting, we developed a breast tumor model that included a central channel mimicking a blood vessel, with tumor spheroids bioprinted in proximity. Validation using a clinically-available chemotherapeutic drug illustrated its efficacy in reducing the tumor volume via perfusion over time. This method opens a new way of bioprinting enabling the creation of complex-shaped organs with internal anatomical features.