《Bioprinting》：Non-Contact and Non-Destructive Detection of Structural Defects in Bioprinted Constructs Using Video-Based Vibration Analysis
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Md Anisur Rahman | Md Asif Hasan Khan | Tuan Mai | Jinki Kim美国乔治亚南方大学机械工程系，斯塔茨伯勒，GA 30458摘要生物打印技术在制造具有复杂几何形状的组织样结构以用于再生医学方面取得了显著进展。然而，保持生物打印
Md Anisur Rahman | Md Asif Hasan Khan | Tuan Mai | Jinki Kim
美国乔治亚南方大学机械工程系，斯塔茨伯勒，GA 30458
摘要
生物打印技术在制造具有复杂几何形状的组织样结构以用于再生医学方面取得了显著进展。然而，保持生物打印材料的结构完整性仍然是一个主要挑战，这主要是由于经常出现隐藏缺陷，如压力引起的不一致性、几何空洞和层间分离。传统的缺陷检测方法通常需要物理接触，而这可能不适用于基于水凝胶的生物材料，因为生物墨水本身具有柔软的特性，因此在这一领域需要非侵入性和直接的结构评估方法。为了推动技术进步，本研究提出了一种新的非接触式方法，利用基于视频的振动分析来无损检测生物打印结构中的结构缺陷。通过使用由海藻酸钠和κ-卡拉胶组成的无细胞生物墨水进行挤出生物打印，制备了耳形结构，以系统地分析打印缺陷引起的机械效应。为了模拟打印缺陷，有控制地在样品中引入了几何缺陷、层间缺陷和压力引起的缺陷。使用高速摄像机记录每个结构的动态响应，并利用基于相位的运动估计技术进行分析。实验结果表明，所有有缺陷的样品与基线样品相比都表现出一致的变化，随着缺陷严重程度的增加，这些变化变得更加明显。这些变化反映了由于内部异常引起的有效刚度和质量分布的变化，即使这些缺陷通过表面检查无法检测到。实验趋势也通过有限元模拟得到了验证。总体而言，这项工作表明基于视频的振动测量是一种评估无细胞生物打印结构质量的强大方法，为下一代生物增材制造工作流程中的稳健结构健康监测提供了实用途径。
引言
3D生物打印已在生物医学领域得到广泛应用，能够制造出仿生和功能性组织结构及器官[1]、[2]。其应用包括开发患者特定的植入物[3]、[4]、微血管制造[5]、疾病建模[6]、组织再生支架[7]、[8]，以及制造类器官、血管化结构和功能性组织[9]。在各种生物打印技术中，基于挤出的生物打印因其适应性、成本效益和与多种基于水凝胶的生物墨水的兼容性而成为最广泛采用的方法之一[10]、[11]。尽管在材料配方和打印机控制方面取得了进展，但在基于挤出的生物打印中实现高结构保真度仍然是一个基本挑战。沉积过程对许多因素敏感，包括生物墨水的流变特性、不理想的打印条件[12]以及意外事件（如打印机喷嘴堵塞或压力不规则）。这些缺陷可能表现为打印线宽不适当、层间粘合弱和不连续性，这可能会严重损害打印结构的功能性和机械完整性，并导致生物打印部件的灾难性故障，包括层剥离、内部空洞形成和丝材塌陷[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。监测和检测这些缺陷是生物打印广泛应用的重大挑战之一。虽然已经提出了一些质量控制策略，但许多策略依赖于基于接触的超声波传感器，这些传感器可能与柔软的生物材料不兼容[20]、[21]。虽然超声波传感器具有内部成像的优势，但由于难以捕捉水凝胶中的细微结构不连续性，其在3D生物打印中的应用可能受到限制。基于阻抗的监测方法也来自土木和复合材料领域，该方法依赖于分析由于机械异常引起的电学性质的变化[22]、[23]、[24]、[25]。将其应用于生物结构可能具有挑战性，因为需要嵌入电极，而这对于柔软和生物相容的系统来说可能并不理想。基于光学相干断层扫描的监测方法提供了非接触式监测，具有微米级的分辨率，可以用于评估柔软生物结构中的内部结构[26]、[27]、[28]。另一方面，这些方法在不透明或高散射的生物墨水中效果可能有限，因为光穿透会减弱。此外，设备和后处理的成本和复杂性可能会限制其应用[23]、[24]、[25]、[29]、[30]。为了解决这些问题并推动技术进步，本文提出的新研究开发了一种可靠、非接触式且无损的生物打印结构缺陷检测方法。本研究探索了一种新的方法，通过使用基于视频的振动分析来测量其动态响应，从而评估基于软水凝胶的无细胞生物打印结构的结构完整性。需要注意的是，本研究专注于无细胞水凝胶结构，以隔离打印引起的缺陷的机械效应，而不引入生物组分的额外复杂性。虽然所使用的材料是生物相容的，并且在生物打印应用中常用，但当前的分析代表了将提出的框架扩展到未来研究中含细胞结构的基础步骤。
在接下来的部分中，首先介绍了用于制造本研究中无细胞生物结构的生物墨水配方和生物打印设置。然后介绍了一种使用基于视频的振动测量进行缺陷识别的新方法。对生物打印中常见的各种类型的缺陷进行了数值和实验研究，以验证所提出方法的有效性。在这些研究之后，提供了总结性评论，以总结关键发现并反思新方法的潜力。
部分摘录
生物墨水制备
制备了一种生物相容的双网络水凝胶，作为本研究中用于制造无细胞生物结构的结构材料。该水凝胶由两种天然来源的阴离子多糖组成：海藻酸钠[31]和κ-卡拉胶[32]，这两种成分均因其良好的凝胶化特性和适合挤出生物打印的特性而被选中。通过溶解3.7%（w/v）的海藻酸钠（Sigma-Aldrich）和2%（w/v）的κ-卡拉胶（Kitchen）来制备水凝胶
测量的可靠性
为了评估实验设置和测量的可靠性，制备了三个无缺陷样品，并使用高速摄像机和基于视频的振动分析分别获得了三次频率响应。如图4所示，所有基线样品的基频共振频率大约为30 Hz，以及其谐波。请注意，观察到的共振频率特定于几何形状和材料
结论
总之，本研究提出了一种稳健且非接触式的无损方法，通过利用基于视频的振动分析来评估柔软无细胞生物打印结构的结构完整性。通过将基于相位的运动估计技术应用于高速视频数据，该研究成功捕获了通过挤出生物打印制造的3D耳形支架的动态响应。由于动态特性（包括共振频率）提供了
CRediT作者贡献声明
Tuan Mai：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据管理。Md Asif Hasan Khan：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、数据管理。Jinki Kim：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。Md Anisur Rahman：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、研究、数据管理、概念化
数据可用性声明
支持本研究所有发现的数据均包含在文章中。
伦理声明
本研究未涉及任何人类参与者、患者来源的数据或动物实验。所有实验均使用合成和市售的生物材料以及计算机辅助设计模型进行。因此，不需要机构审查委员会或动物护理和使用委员会的伦理批准。所有实验程序均符合实验室安全和负责任研究行为的机构指南。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Jinki Kim报告称获得了国家科学基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
5. 致谢
本研究得到了国家科学基金会（奖项编号：2301948）的支持，以及乔治亚南方大学的工程学院提供的教师研究种子基金的支持。
