Vertical Pillar Extrusion Bioprinting: A Low-Cost Syringe System for Precise Printing of Viscous Bioinks

Abstract

Das dreidimensionale Bioprinting ermöglicht die Herstellung weicher, biologisch relevanter Materialien für Anwendungen in der Gewebetechnik und Lebensmittelforschung. Das Einbetten von Druckmaterial in eine viskose Trägermatrix wird häufig zur Stabilisierung weicher Strukturen verwendet, unterliegt jedoch weiterhin Beschränkungen durch mechanische Störungen, die durch die Bewegung der Nadel während der schichtweisen Deposition verursacht werden. Diese Studie stellt einen vertikalen Extrusionsansatz vor, bei dem das Material entlang des Nadelabzugswegs aufgetragen wird, um diese Störungen zu minimieren. Ein kostengünstiger Drucker wurde in ein spritzenbetriebenes Extrusionssystem umgewandelt, das über maßgeschneiderte mechanische Komponenten und eine eigene Software-Pipeline verfügt, die zeitbewusste Werkzeugwege aus 3D-Modellschnitten generieren kann. Kalibrierungsroutinen und Hardware-Neukonstruktionen reduzierten Spiel, verzögerten Fluss und Restextrusion. Experimente mit Alginat- und Silikon-Tinten zeigten eine genaue Säulenbildung, verbesserte Ausrichtung und reproduzierbare Druckqualität. Die Ergebnisse etablieren die vertikale Säulenextrusion als einen gangbaren Weg zu präzisem, schichtunabhängigem Bioprinting in viskosen Medien und als flexible Grundlage für zukünftige mehrachsige und zellbasierte Systeme.

Three-dimensional bioprinting enables the fabrication of soft, biologically relevant materials for applications in tissue engineering and food research. Embedded printing within a viscous support matrix is commonly used to stabilise soft structures, but remains constrained by mechanical disturbances caused by needle motion during layer-by-layer deposition. This study introduces a vertical extrusion approach that deposits material along the needle’s withdrawal path to minimise these disturbances. A low-cost printer was converted into a syringe-driven extrusion system featuring custom mechanical components and a dedicated software pipeline capable of generating time-aware toolpaths from 3D model slices. Calibration routines and hardware redesigns reduced backlash, delayed flow, and residual extrusion. Experiments using alginate and silicone inks demonstrated accurate pillar formation, improved alignment, and reproducible print quality. The results establish vertical pillar extrusion as a viable route toward precise, layer-independent bioprinting in viscous media and a flexible foundation for future multi-axis and cell-based systems.