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背景：挤出式生物打印参数的实时选择，需要快速预测一个兼顾材料处理量与机械作用所致细胞损伤的操作窗口。完整数值模拟能够解析相关流动机制，但其计算成本限制了在工艺调整过程中反复进行评估。本研究开发了一种有限元—高斯过程（GP）框架，用于快速预测组织工程中骨骼肌成肌细胞生物打印的操作窗口。方法：建立惯性效应保留、剪切变稀流动的轴对称模型，对含有 L8 大鼠成肌细胞的 1.5%（w/v）海藻酸盐悬浮液进行建模，并将其与一项已有文献报道的损伤定律耦合。该损伤定律针对同一细胞模型，分别描述喷嘴剪切损伤与入口处拉伸损伤。数据集包含 32 种组合条件，由 4 种喷嘴直径（100–330 微米）和 8 种施加压力（25–400 kPa）构成。构建 GP 代理模型，用于预测流量、壁面剪切应力和总机械损伤。结果：每种参数组合下，GP 代理模型的响应时间不到 1 毫秒，而每个有限元算例约需 1.5 小时。在留一法验证中，代理模型对模拟损伤的预测平均绝对误差为 0.34 个百分点，对流量的预测平均绝对百分比误差为 6.8%。在留出一种完整喷嘴直径的情况下，损伤预测误差升至 0.88 个百分点。采用预测损伤低于 20%、流量至少为 1 微升/秒的筛选限值时，32 种模拟条件中有 17 种落在操作窗口内。损伤分解结果还表明，喷嘴的选择取决于所施加的约束：在 200 kPa 下，随着喷嘴直径从 200 乐彩从 200 μm 增至 330 μm 时，330 μm 喷嘴的流量是 200 μm 喷嘴的 15.8 倍，导致喷嘴入口处的有效拉伸应力升高。在流量匹配为 1 μL/s 时，预测损伤则从 5.5% 降至 4.6%。结论：所开发的框架可在采样范围内对打印参数进行实时计算筛选；研究结果还表明，必须谨慎地同时选择喷嘴直径和施加压力，因为在恒定压力与流量匹配两种条件下，各喷嘴的预测损伤排序会发生反转。
海藻酸盐水凝胶中骨骼肌母细胞生物打印挤出参数的快速计算筛选｜bioRxiv
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海藻酸盐水凝胶中骨骼肌母细胞生物打印挤出参数的快速计算筛选
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Antonio Papangelo，
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Giada Graziana Genchi
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.19.760174
Zahed Tavangari
1
巴里阿尔多·莫罗大学；
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Antonio Papangelo
3
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Giada Graziana Genchi
1
巴里阿尔多·莫罗大学；
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摘要
背景：实时选择挤出生物打印参数，需要快速预测一个操作窗口，在材料通量与机械作用引起的细胞损伤之间取得平衡。完整的数值模拟能够解析相关流动机制，但其计算成本限制了其在工艺调整期间的反复评估。本研究提出一种有限元—高斯过程（GP）…
本研究开发了一种用于组织工程的骨骼肌成肌细胞生物打印快速操作窗口预测框架。方法：将一种轴对称模型与此前报道的损伤定律相耦合。该模型描述了含有1.5%（w/v）L8大鼠成肌细胞的海藻酸盐悬浮液中由惯性维持的剪切变稀流动；损伤定律则针对同一细胞模型，区分喷嘴剪切损伤与入口处的拉伸损伤。数据集包含32种组合条件，由4种喷嘴直径（100–330 µm）和8种施加压力（25–400 kPa）构成。研究建立了高斯过程（GP）代理模型，用于预测流量、壁面剪切应力和总机械损伤。结果：每种参数组合下，GP代理模型的响应时间不到1毫秒，而有限元计算每种工况约需1.5小时。在留一法验证中，代理模型对模拟损伤的平均绝对误差为0.34个百分点，对流量的平均绝对百分比误差为6.8%。当留出一种完整的喷嘴直径时，损伤预测误差升至0.88个百分点。若筛选条件设为预测损伤低于20%、流量至少为1 µL/s，则32种模拟工况中有17种处于操作窗口内。损伤分解结果还表明，喷嘴选择取决于所施加的约束：在200 kPa下，随着喷嘴直径从200 µm增至330 µm，预测损伤由9.0%升至18.0%。330 µm喷嘴的流量是200 µm喷嘴的15.8倍，从而提高了喷嘴入口处的有效拉伸应力。相比之下，在流量匹配为1 µL/s时，预测损伤则由5.5%降至4.6%。结论：所开发的框架支持在采样域内对打印参数进行实时计算筛选，并表明有必要进行
因此，需要谨慎地联合选择喷嘴直径和施加压力，因为在固定压力与流量匹配的条件下，按预测损伤程度排列的喷嘴顺序会发生逆转。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
脚注
https://doi.org/10.5281/zenodo.23469527
https://github.com/tavangariz/l8-myoblast-bioprinting-fem
已声明的资助信息
意大利航天局（Agenzia Spaziale Italiana），
https://ror.org/034zgem50，2024-59-HH.0，CUP F93C24000580001
欧盟委员会（European Commission），
https://ror.org/00k4n6c32，地平线欧洲玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里行动，资助协议编号：101285102（REAL-ADHERE）
欧洲研究理事会（European Research Council），
https://ror.org/0472cxd90，ERC-2021-STG SURFACE，项目编号：101039198，CUP D95F22000430006
版权
本预印本的版权归作者／资助方所有；其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。
该内容依据 CC-BY 4.0 国际许可协议提供。
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发布于 2026 年 10 月 20 日。
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海藻酸盐水凝胶中骨骼肌母细胞生物打印的挤出参数
Zahed Tavangari，Ali Maghami，Antonio Papangelo，Giada Graziana Genchi
bioRxiv
2026.10.19.760174
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.19.760174
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海藻酸盐水凝胶中骨骼肌母细胞生物打印挤出参数的快速计算筛选
Zahed Tavangari，Ali Maghami，Antonio Papangelo，Giada Graziana Genchi
bioRxiv
2026.10.19.760174
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.19.760174
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关键词：挤出式生物打印 · 骨骼肌成肌细胞 · 藻酸盐水凝胶 · 高斯过程代理模型 · 细胞机械损伤
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.19.760174v1?rss=1