3D Bioprinting for Neural Tissue Engineering

Thumbnail Image

Files

bachelor_Kinnunen_Kaarlo_2025.pdf (3.08 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-12-08

Department

Major/Subject

Bioinformation Technology

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Electrical Engineering
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Kandidatprogrammet i elektroteknik

Language

en

Pages

30

Series

Abstract

3D bioprinting is an additive manufacturing process first instroduced in the year 1988. In essence, the 3D bioprinting process consists of depositing layers of so-called bioink, composed of live cells suspended in biocompatible gels, in order to fabricate a 3D structure which mimics some biological construct, such as organ tissue, skin, or even food. A more recent specific implementation of 3D bioprinting is that of neural tissues. The human nervous system, to this day, remains poorly understood, and the demand for tools to study and regenerate it is high. Within the last decade, the toolbox of methods used to 3D print neural tissues has grown and improved notedly, and various substrategies of 3D bioprinting have been utilized in the bioprinting of neural tissues, such as extrusion-based bioprinting, inkjet-based bioprinting, stereolithography, and laser-assisted bioprinting. Each of these methods carry their own strengths and weaknesses when it comes to attempts at fabricating live neural consturcts. For instance, extrusion-based bioprinting can handle a wide range of bioink viscosities and cell densities within bioinks, but faces issues with cell vitality and resolution. Inkjet-based bioprinting, on the other hand, delivers up to five times more resolution compared to extrusion-based bioprinting, but is limited to low-viscosity and low cell density bioinks as thicker and denser bioinks cause issues with nozzle clogging. As it stands, no single modality of 3D bioprinting is yet adequate for the one-to-one replication of neural tissues. Future progress in the field of neural tissue bioprinting will likely necessitate some forms of hybrid fabrication protocols, where the trade-offs of high-resolution mechanisms are mitigated e.g. via the plotting of growth factors and specialized neurites. Despite the limitations of modern-day neural tissue bioprinting, it has already been widely utilized in clinical trials and research. Neural tissue bioprinting has enabled the precise modeling of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's or Parkinson's, and 3D bioprinted nerve guidance conduits have succesfully been used to treat peripheral nerve injuries in mice.

3D-biotulostus on tuotantoprosessi, joka pohjimmiltaan prosessina koostuu biomusteen kerroksittaisesta talletuksesta tulostusalustalle. Sen tavoitteena on luoda kolmiulotteisia rakenteita, jotka jäljittelevät jotakin biologista kokonaisuutta, kuten elinkudosta, ihoa tai jopa ruokaa. Eräs modernimpi sovellus 3D-biotulostukselle on ihmisen hermokudoksen jäljittely. Ymmärrys ihmiskehon hermostosta on yhä heikko, ja tarve työkaluille sen tutkimista sekä hoitoa varten on suuri. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on kartoittaa hermokudoksen 3D-biotulostuksen alkuperää ja historiaa, selvittää ja vertailla eri 3D-biotulostuksen alastrategioiden soveltuvuutta hermokudoksen jäljentämistä varten, sekä arvioida alan tulevaisuuden suuntia käytännön sovelluksien valossa. Kandidaatintyö toteutetaan kirjallisuustutkimuksena. Työssä selviää, että 3D-biotulostus esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1988, vain neljä vuotta 3D-tulostuksen jälkeen. Hermokudoksen 3D-biotulostukseen liittyviä käytännön tutkimuksia alettiin kuitenkin johdonmukaisesti tehdä vasta 2010-luvun puolessavälissä, jonka jälkeen ala on kehittynyt tasaisella tahdilla. Nykyään hermokudoksen 3D-biotulostuksen osalta tärkeimpiä 3D-biotulostuksen alastrategioita ovat ekstruusiopohjainen biotulostus, mustesuihkupohjainen biotulostus, stereolitografia ja laseravusteinen biotulostus. Kukin alastrategia sisältää hermokudoksen jäljittelyä rajoittavia luontaisia kompromisseja, esimerkiksi resoluution, solujen elinkelpoisuuden ja monipuolisuuden osalta. Tutkimuksen perusteella mikään esitetyistä 3D-biotulostuksen alastrategioista ei sellaisenaan ole riittävä luomaan täsmällisiä hermokudosjäljennöksiä suunnitteluperusteiden mukaisesti. Tutkimuksen tulosten pohjalta voidaan kuitenkin spekuloida, että eräs mahdollinen tulevaisuuden suunta hermokudoksen 3D-biotulostuksen kehitykselle olisi stereolitografiapohjaisen kaksifotonisen polymeroinnin täydentäminen mustesuihkupohjaisella tai laseravusteisella biotulostuksella. Mikäli tähän metodiin perustuvaa teknologiaa kyettäisiin edistämään ja tätä myötä jäljittelemään hermokudoksia solutarkkuudella, se saattaisi mahdollistaa muun muassa vaurioituneen hermokudoksen uudistamista in situ -olosuhteissa sekä piikittävien neuroverkkojen fyysisisiä toteutusratkaisuja.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Gorad, Ajinkya

Keywords

3D bioprinting, neural tissue, stereolithography, inkjet, neuron, bioink

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512129094

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC