Numerical Simulation of a Novel Laser-Assisted Method Enabling Multiscale Bio-Printing
Notice bibliographique
Résumé
Three-dimensional (3D) bio-printing has emerged as one of the most influential applications of printing technologies, aiming to address the increased demand for living constructs with long term mechanical and biological stability suitable for transplantation and drug screening applications [1]. Currently, an open challenge in the laser bioprinting field is the fabrication of living constructs of biologically relevant size (~cm3) with micrometric resolution, i.e., multiscale printing. The paper proposes a novel laser-assisted method that enables multiscale printing of 3D constructs. The method is inspired by studies in the field of laser-assisted drug injection [2]. We will discuss the bio-printing principle, involving a sequence of mechanisms (Figure 1): i) nanosecond (ns) pulsed laser (τ = 6 ns, λ = 532 nm) interaction with liquid, ii) cavitation, iii) bubble dynamics, iv) fluid structure interaction, and v) jet dynamics. We used a multiphysics simulation software (COMSOL) to numerically simulate the involved mechanisms. To calculate laser-induced bubble dynamics in a closed chamber, we solved the Rayleigh-Plesset differential equation coupled to a modified Tait equation of state, which accounts for the pressure increase in the chamber because of the laser-induced bubble expansion. We considered 20% conversion of the laser pulse energy to bubble energy, which is a value well documented in the literature [3]. We applied the calculated spatiotemporal dynamics of the bubble boundary as a moving wall to calculate fluid-membrane interaction and the resulting membrane velocity. The membrane velocity profile was then applied to a two-phase flow model to simulate the bio-ink ejection dynamics. We will present the dependence of the jet-dynamics on various key experimental conditions, including liquid rheological properties (dynamic viscosity: 0.89-26.85 mPa·s, density: 996.89-1190.4 kg/m3, laser energy: 5-500J). Finally, we will present an optimization study aiming to reproducible and controllable printing of bio-ink drops with the following characteristics: ejection velocity 5-50 m/s, volume 0.05-30 nL, at the kHz repetition rate regime. Our results demonstrate reliable high-resolution bio-printing for an extended bio-ink viscosity range, representing a model bio-ink that is currently impossible to print using a single conventional bio-printing technology.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,004 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».