Diseño y construcción de una impresora 3D para ser utilizada en ingeniería tisular osteocondral

Abstract

Extrusion bioprinting is a method by which a bioink, loaded with cells, can be extruded through a nozzle. To carry out this process, it is necessary to take into account several factors such as the speed, the viscosity of the bioink, the shear stresses to which the bioink is exposed, in order to achieve greater cell viability at the time of extrusion. The bioink is loaded with cells to guarantee greater compatibility with the human body, which is why it is important to have higher cell viability rates. To be more specific, the bioink will be loaded with chondrocytes, which have been shown to die when subjected to a shear stress greater than 160 Pa. In the work carried out we took different diameters and lengths to simulate a nozzle for the extrusion process. For the bioink we set a low inlet flow and took some viscosities from previously characterized bioinks. The simulation was done using the COMSOL program which allowed us to carry out a study to know if the data we are implementing is adequate to achieve our objective. From this simulation we obtained shear stresses lower than 160 Pa, so we could conclude that we will have adequate cell viability. After having the required measurements for the nozzle, a design was prepared for the bioprinter, which underwent a deformation analysis with the SolidWorks program to ensure that the appropriate measurements were being used. For the bioprinter, most of its parts were printed in PetG and the rest were purchased. Once the printer was built, a firmware called Marlin was modified to adapt to the dimensions and needs of the printer.

La bioimpresión por extrusión es un método por el cual se puede extrudir una biotinta, cargada con células, a través una boquilla. Para llevar a cabo este proceso es necesario tener en cuenta varios factores como lo son: la velocidad, la viscosidad de la biotinta, los esfuerzos cortantes a los cuales se está sometiendo la biotinta, para lograr una mayor viabilidad celular al momento de la extrusión. La biotinta es cargada con células para garantizar una mayor compatibilidad con el cuerpo humano, por ello es importante tener mayores índices de viabilidad celular. Para ser más específicos las biotintas serán cargadas con condrocitos, los cuales, se ha demostrado que, mueren al someterse a un esfuerzo cortante mayor a 160 Pa. En el trabajo realizado se tomaron diferentes diámetros y longitudes del extrusor, para simular una boquilla en el proceso de extrusión. Para la biotinta se estableció un flujo de entrada bajo y algunas viscosidades de biotintas previamente caracterizadas. La simulación se hizo utilizando el programa de COMSOL el cual permitió realizar un estudio para saber si los datos que estamos implementando son adecuados para lograr nuestro objetivo. De dicha simulación obtuvimos esfuerzos cortantes menores a los 160 Pa por lo que pudimos concluir que tendremos viabilidad celular adecuada. Teniendo las medidas requeridas para la boquilla se elaboró un diseño para la bioimpresora al cual se le hizo un análisis de deformación con el programa de SolidWorks garantizando de estar utilizando las medidas adecuadas. Para la bioimpresora la mayoría de sus piezas fueron impresas en PetG y las restantes fueron compradas. Una vez teniendo la impresora construida se modificó un firmware llamado Marlin para adecuarse a las dimensiones y necesidades de la impresora.