Bioprinters are being extensively used for different applications in life sciences and medicine in general and more specifically in regenerative medicine, tissue, and organ fabrication. The technology has matured from its purely academic origin owing to the involvement of materials science, engineering, biology, and physics, as well as commercial entities. Nevertheless, despite the progress in the science and the understanding of the mechanisms underlying the various bioprinting technologies, further efforts are needed to develop more quantitative strategies. In particular, predictive modeling is necessary to optimize the printing parameters and thus enhance the quality of the final products. Here, we review the physics that underpins the most commonly employed approaches, such as extrusion, laser-based, and inkjet bioprinting. We provide an overview of the relevant parameters, their inter-relationships, and the equations that govern the various printing processes and thus allow for their optimization. We present our perspective on the field and views on future strategies for its further advancement. Our intention with this review is to provide the practitioners of bioprinting with additional tools to enhance the quantitative aspects of their work and move the technology beyond its early, mostly “trial and error” character.

1.
L.
Moroni
,
T.
Boland
,
J. A.
Burdick
,
C.
De Maria
,
B.
Derby
,
G.
Forgacs
,
J.
Groll
,
Q.
Li
,
J.
Malda
,
V. A.
Mironov
,
C.
Mota
,
M.
Nakamura
,
W.
Shu
,
S.
Takeuchi
,
T. B. F.
Woodfield
,
T.
Xu
,
J. J.
Yoo
, and
G.
Vozzi
,
Trends Biotechnol.
36
,
384
(
2018
).
2.
F. T. C.
Moreira
,
R. A. F.
Dutra
,
J. P.
Noronha
, and
M. G. F.
Sales
,
Biosens. Bioelectron.
56
,
217
(
2014
).
3.
P.
Mostafalu
,
W.
Lenk
,
M. R.
Dokmeci
,
B.
Ziaie
,
A.
Khademhosseini
, and
S. R.
Sonkusale
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
9
,
670
(
2015
).
4.
A.
Shafiee
,
E.
Ghadiri
,
J.
Kassis
,
N.
Pourhabibi Zarandi
, and
A.
Atala
,
Curr. Stem Cell Rep.
4
,
105
(
2018
).
5.
N.
Genina
,
D.
Fors
,
H.
Vakili
,
P.
Ihalainen
,
L.
Pohjala
,
H.
Ehlers
,
I.
Kassamakov
,
E.
Haeggstrom
,
P.
Vuorela
,
J.
Peltonen
, and
N.
Sandler
,
Eur. J. Pharm. Sci.
47
,
615
(
2012
).
6.
H.-W.
Kang
,
S. J.
Lee
,
I. K.
Ko
,
C.
Kengla
,
J. J.
Yoo
, and
A.
Atala
,
Nat. Biotechnol.
34
,
312
(
2016
).
7.
S. G.
Ju
,
M. K.
Kim
,
C.-S.
Hong
,
J. S.
Kim
,
Y.
Han
,
D. H.
Choi
,
D.
Shin
, and
S. B.
Lee
,
Radiat. Oncol. Biol.
88
,
453
(
2014
).
8.
E.
Poulin
,
L.
Gardi
,
A.
Fenster
,
J.
Pouliot
, and
L.
Beaulieu
,
Radiother. Oncol.
114
,
335
(
2015
).
9.
J. L.
Silberstein
,
M. M.
Maddox
,
P.
Dorsey
,
A.
Feibus
,
R.
Thomas
, and
B. R.
Lee
,
Urology
84
,
268
(
2014
).
10.
N. N.
Zein
,
I. A.
Hanouneh
,
P. D.
Bishop
,
M.
Samaan
,
B.
Eghtesad
,
C.
Quintini
,
C.
Miller
,
L.
Yerian
, and
R.
Klatte
,
Liver Transplant.
19
,
1304
(
2013
).
11.
R.
Olszewski
,
P.
Szymor
, and
M.
Kozakiewicz
,
J. Cranio-Maxillofacial Surg.
42
,
1847
(
2014
).
12.
N.
Adolphs
,
W.
Liu
,
E.
Keeve
, and
B.
Hoffmeister
,
Comput. Aided Surg.
19
,
20
(
2014
).
13.
Y.
Sun
,
H.-T.
Luebbers
,
J. O.
Agbaje
,
S.
Schepers
,
L.
Vrielinck
,
I.
Lambrichts
, and
C.
Politis
,
J. Craniofacial Surg.
24
,
1871
(
2013
).
14.
A.
Shafiee
and
A.
Atala
,
Annu. Rev. Med.
68
,
29
(
2017
).
15.
C.
Norotte
,
F. S.
Marga
,
L. E.
Niklason
, and
G.
Forgacs
,
Biomaterials
30
,
5910
(
2009
).
16.
B.
Lorber
,
W.-K.
Hsiao
,
I. M.
Hutchings
, and
K. R.
Martin
,
Biofabrication
6
,
015001
(
2014
).
17.
R.
Gaebel
,
N.
Ma
,
J.
Liu
,
J.
Guan
,
L.
Koch
,
C.
Klopsch
,
M.
Gruene
,
A.
Toelk
,
W.
Wang
,
P.
Mark
,
F.
Wang
,
B.
Chichkov
,
W.
Li
, and
G.
Steinhoff
,
Biomaterials
32
,
9218
(
2011
).
18.
Y.
Nahmias
,
R. E.
Schwartz
,
C. M.
Verfaillie
, and
D. J.
Odde
,
Biotechnol. Bioeng.
92
,
129
(
2005
).
19.
A.
Shafiee
and
A.
Atala
,
Trends Mol. Med.
22
,
254
(
2016
).
20.
V.
Mironov
,
R. P.
Visconti
,
V.
Kasyanov
,
G.
Forgacs
,
C. J.
Drake
, and
R. R.
Markwald
,
Biomaterials
30
,
2164
(
2009
).
21.
P.
Calvert
,
Chem. Mater.
13
,
3299
(
2001
).
22.
R. D.
Boehm
,
P. R.
Miller
,
J.
Daniels
,
S.
Stafslien
, and
R. J.
Narayan
,
Mater. Today
17
,
247
(
2014
).
23.
P.
Calvert
and
T.
Boland
,
Biopolymers and Cells Inkjet Technology for Digital Fabrication
(
John Wiley & Sons
,
New York
,
2014
), pp.
275
305
.
24.
D. J.
Odde
and
M. J.
Renn
,
Trends Biotechnol.
17
,
385
(
1999
).
25.
M.
Ali
,
E.
Pages
,
A.
Ducom
,
A.
Fontaine
, and
F.
Guillemot
,
Biofabrication
6
,
045001
(
2014
).
26.
A.
Shafiee
,
C.
Norotte
, and
E.
Ghadiri
,
Bioprinting
8
,
13
(
2017
).
27.
J.
Groll
,
J. A.
Burdick
,
D.-W.
Cho
,
B.
Derby
,
M.
Gelinsky
,
S. C.
Heilshorn
,
T.
Jüngst
,
J.
Malda
,
V. A.
Mironov
,
K.
Nakayama
,
A.
Ovsianikov
,
W.
Sun
,
S.
Takeuchi
,
J. J.
Yoo
, and
T. B. F.
Woodfield
,
Biofabrication
11
,
013001
(
2018
).
28.
N.
Paxton
,
W.
Smolan
,
T.
Böck
,
F.
Melchels
,
J.
Groll
, and
T.
Jungst
,
Biofabrication
9
,
044107
(
2017
).
29.
L.
Moldovan
,
C. M.
Babbey
,
M. P.
Murphy
, and
N. I.
Moldovan
,
Curr. Opinion Biomed. Eng.
2
,
124
(
2017
).
30.
D. E.
Ingber
,
V. C.
Mow
,
D.
Butler
,
L.
Niklason
,
J.
Huard
,
J.
Mao
,
I.
Yannas
,
D.
Kaplan
, and
G.
Vunjak-Novakovic
,
Tissue Eng.
12
,
3265
(
2006
).
31.
P.
Lenas
,
M.
Moos
, Jr.
, and
F. P.
Luyten
,
Tissue Eng., Part B
15
,
381
(
2009
).
32.
J.
Basu
and
J. W.
Ludlow
,
Birth Defects Res., Part C
96
,
30
(
2012
).
33.
G.
Forgacs
and
S. A.
Newman
,
Biological Physics of the Developing Embryo
(
Cambridge University Press
,
2005
).
34.
K.
Jakab
,
C.
Norotte
,
F.
Marga
,
K.
Murphy
,
G.
Vunjak-Novakovic
, and
G.
Forgacs
,
Biofabrication
2
,
022001
(
2010
).
35.
K.
Jakab
,
A.
Neagu
,
V.
Mironov
,
R. R.
Markwald
, and
G.
Forgacs
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
101
,
2864
(
2004
).
36.
K.
Jakab
,
C.
Norotte
,
B.
Damon
,
F.
Marga
,
A.
Neagu
,
C. L.
Besch-Williford
,
A.
Kachurin
,
K. H.
Church
,
H.
Park
,
V.
Mironov
,
R.
Markwald
,
G.
Vunjak-Novakovic
, and
G.
Forgacs
,
Tissue Eng., Part A
14
,
413
(
2008
).
37.
V.
Mironov
,
T.
Boland
,
T.
Trusk
, and
G.
Forgacs
,
Trends Biotechnol.
21
,
157
(
2003
).
38.
N. I.
Moldovan
,
N.
Hibino
, and
K.
Nakayama
,
Tissue Eng., Part B
23
,
237
(
2017
).
39.
C. P.
Heisenberg
and
Y.
Bellaïche
,
Cell
153
,
948
(
2013
).
40.
J. M.
Pérez-Pomares
and
R. A.
Foty
,
Bioessays
28
,
809
(
2006
).
42.
F.
Marga
,
K.
Jakab
,
C.
Khatiwala
,
B.
Shepherd
,
S.
Dorfman
,
B.
Hubbard
,
S.
Colbert
, and
G.
Forgacs
,
Biofabrication
4
,
022001
(
2012
).
43.
T.
Lecuit
and
P.-F.
Lenne
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
8
,
633
(
2007
).
44.
B. S.
Winters
,
S. R.
Shepard
, and
R. A.
Foty
,
Int. J. Cancer
114
,
371
(
2005
).
45.
B.
Hegedüs
,
F.
Marga
,
K.
Jakab
,
K. L.
Sharpe-Timms
, and
G.
Forgacs
,
Biophys. J.
91
,
2708
(
2006
).
46.
M. S.
Steinberg
,
Symp. Soc. Exp. Biol.
32
,
25
(
1978
).
48.
R. A.
Foty
,
G.
Forgacs
,
C. M.
Pfleger
, and
M. S.
Steinberg
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
2298
(
1994
).
49.
R. A.
Foty
,
C. M.
Pfleger
,
G.
Forgacs
, and
M. S.
Steinberg
,
Dev. Biol.
122
,
1611
(
1996
).
50.
C.
Norotte
,
F.
Marga
,
A.
Neagu
,
I.
Kosztin
, and
G.
Forgacs
,
Europhys. Lett.
81
,
46003
(
2008
).
51.
D.
Duguay
,
R. A.
Foty
, and
M. S.
Steinberg
,
Dev. Biol.
253
,
309
(
2003
).
52.
R. A.
Foty
and
M. S.
Steinberg
,
Dev. Biol.
278
,
255
(
2005
).
53.
B. J.
Damon
,
N. V.
Mezentseva
,
J. S.
Kumaratilake
,
G.
Forgacs
, and
S. A.
Newman
,
Dev. Biol.
321
,
319
(
2008
).
54.
G.
Forgacs
,
R. A.
Foty
,
Y.
Shafrir
, and
M. S.
Steinberg
,
Biophys. J.
74
,
2227
(
1998
).
55.
D. A.
Beysens
,
G.
Forgacs
, and
J. A.
Glazier
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
97
,
9467
(
2000
).
56.
G.
Forgacs
and
R. A.
Foty
, in
Function and Regulation of Cellular Systems: Experiments and Models
, edited by
A.
Deutsch
,
M.
Falk
, and
W.
Zimmerman
(
Birkhauser
,
Basel
,
2004
), pp.
269
277
.
57.
I.
Kosztin
,
G.
Vunjak-Novakovic
, and
G.
Forgacs
,
Rev. Mod. Phys.
84
,
1791
(
2012
).
58.
M.
McCune
,
A.
Shafiee
,
G.
Forgacs
, and
I.
Kosztin
,
Soft Matter
10
,
1790
(
2014
).
59.
A.
Shafiee
,
M.
McCune
,
G.
Forgacs
, and
I.
Kosztin
,
Biofabrication
7
,
045005
(
2015
).
60.
A.
Shafiee
,
E.
Ghadiri
,
D.
Williams
, and
A.
Atala
,
Bioprinting
14
,
e00047
(
2019
).
61.
M. L.
Manning
,
R. A.
Foty
,
M. S.
Steinberg
, and
E.-M.
Schoetz
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
107
,
12517
(
2010
).
62.
Y.
He
,
F.
Yang
,
H.
Zhao
,
Q.
Gao
,
B.
Xia
, and
J.
Fu
,
Sci. Rep.
6
,
29977
(
2016
).
63.
J. E.
Trachtenberg
,
P. M.
Mountziaris
,
J. S.
Miller
,
M.
Wettergreen
,
F. K.
Kasper
, and
A. G.
Mikos
,
J. Biomed. Mater. Res.
102
,
4326
(
2014
).
64.
L.
Ouyang
,
C. B.
Highley
,
C. B.
Rodell
,
W.
Sun
, and
J. A.
Burdick
,
ACS Biomater. Sci. Eng.
2
,
1743
(
2016
).
65.
L.
Ouyang
,
R.
Yao
,
Y.
Zhao
, and
W.
Sun
,
Biofabrication
8
,
035020
(
2016
).
66.
A.
Blaeser
,
D. F.
Duarte Campos
,
U.
Puster
,
W.
Richtering
,
M. M.
Stevens
, and
H.
Fischer
,
Adv. Healthcare Mater.
5
,
326
(
2016
).
67.
R.
Suntornnond
,
E.
Tan
,
J.
An
, and
C.
Chua
,
Materials
9
,
756
(
2016
).
68.
H.
Liu
,
Y.
Li
, and
D.
Li
,
Int. J. Adv. Manuf. Technol.
83
,
2039
(
2016
).
69.
V. H. M.
Mouser
,
F. P. W.
Melchels
,
J.
Visser
,
W. J. A.
Dhert
,
D.
Gawlitta
, and
J.
Malda
,
Biofabrication
8
,
035003
(
2016
).
70.
W.
Liu
,
M. A.
Heinrich
,
Y.
Zhou
,
A.
Akpek
,
N.
Hu
,
X.
Liu
,
X.
Guan
,
Z.
Zhong
,
X.
Jin
,
A.
Khademhosseini
, and
Y. S.
Zhang
,
Adv. Healthcare Mater.
6
,
1601451
(
2017
).
71.
T.
Gao
,
G. J.
Gillispie
,
J. S.
Copus
,
P. R.
A. Kumar
,
Y.-J.
Seol
,
A.
Atala
,
J. J.
Yoo
, and
S. J.
Lee
,
Biofabrication
10
(
3
),
034106
(
2018
).
72.
K.
Nair
,
M.
Gandhi
,
S.
Khalil
,
K. C.
Yan
,
M.
Marcolongo
,
K.
Barbee
, and
W.
Sun
,
Biotechnol. J.
4
,
1168
(
2009
).
73.
W. Z.
Samad
,
M. M.
Salleh
,
A.
Shafiee
, and
M. A.
Yarmo
,
AIP Conf. Proc.
1284
,
83
86
(
2010
).
74.
T.
Kawase
,
T.
Shimoda
,
C.
Newsome
,
H.
Sirringhaus
, and
R. H.
Friend
,
Thin Solid Films
438–439
,
279
(
2003
).
75.
W. Z.
Samad
,
M. M.
Salleh
,
A.
Shafiee
, and
M. A.
Yarmo
, in
IEEE International Conference on Semiconductor Electronics (ICSE)
(
2010
).
76.
F. C.
Krebs
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
93
,
394
(
2009
).
77.
A.
Shafiee
,
M. M.
Salleh
, and
M.
Yahaya
, in
IEEE International Conference on Semiconductor Electrionics, ICSE
(
2008
), pp.
319
322
.
78.
W. Z.
Samad
,
M. M.
Salleh
,
A.
Shafiee
, and
M. A.
Yarmo
,
Mater. Sci. Forum
663–665
,
694
(
2010
).
79.
T.
Boland
,
T.
Xu
,
B.
Damon
, and
X.
Cui
,
Biotechnol. J.
1
,
910
(
2006
).
81.
F.
Xu
,
S. J.
Moon
,
A. E.
Emre
,
E. S.
Turali
,
Y. S.
Song
,
S. A.
Hacking
,
J.
Nagatomi
, and
U.
Demirci
,
Biofabrication
2
,
014105
(
2010
).
82.
R.
Rioboo
,
M.
Marengo
, and
C.
Tropea
,
Exp. Fluids
33
,
112
(
2002
).
83.
R.
Rioboo
,
C.
Tropea
, and
M.
Marengo
,
Atomization Sprays
11
,
12
(
2001
).
84.
85.
D.
Williams
,
Essential Biomaterials Science
(
Cambridge University Press
,
2014
).
86.
J. N.
Israelachvili
,
Intermolecular and Surface Forces
, 3rd ed. (
Academic Press
,
Amsterdam
,
2011
).
87.
A.
Shafiee
,
E.
Ghadiri
,
M.
Mat Salleh
,
M.
Yahya
, and
A.
Atala
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
(published online 2019).
88.
N.
Reis
,
C.
Ainsley
, and
B.
Derby
,
J. Appl. Phys.
97
,
094903
(
2005
).
89.
M. H.
Tsai
,
W. S.
Hwang
,
H. H.
Chou
, and
P. H.
Hsieh
,
Nanotechnology
19
,
335304
(
2008
).
90.
A.
Shafiee
,
M.
Mat Salleh
, and
M.
Yahaya
,
Proc. SPIE
7493
,
74932D
(
2009
).
91.
S.
Jung
, Ph.D. thesis, University of Cambridge, Cambridge UK,
2011
.
92.
S.
Schiaffino
and
A.
Sonin
,
Phys. Fluids
9
,
3172
(
1997
).
93.
G. D.
Martin
,
S. D.
Hoath
, and
I. M.
Hutchings
,
J. Phys.: Conf. Ser.
105
,
012001
(
2008
).
94.
W.
Wang
,
Y.
Huang
,
M.
Grujicic
, and
D. B.
Chrisey
,
J. Manuf. Sci. Eng.
130
,
021012
(
2008
).
95.
P.
Sopeña
,
S.
González-Torres
,
J. M.
Fernández-Pradas
, and
P.
Serra
,
Sci. Rep.
8
,
7999
(
2018
).
96.
Y.
Deng
,
P.
Renaud
,
Z.
Guo
,
Z.
Huang
, and
Y.
Chen
,
J. Biol. Eng.
11
,
2
(
2017
).
97.
C.
Mézel
,
A.
Souquet
,
L.
Hallo
, and
F.
Guillemot
,
Biofabrication
2
,
014103
(
2010
).
98.
F.
Kawecki
,
W. P.
Clafshenkel
,
F. A.
Auger
,
J.-M.
Bourget
,
J.
Fradette
, and
R.
Devillard
,
Biofabrication
10
,
035006
(
2018
).
99.
N. T.
Kattamis
,
M. S.
Brown
, and
C. B.
Arnold
,
J. Mater. Res.
26
,
2438
(
2011
).
100.
A.
Sorkio
,
L.
Koch
,
L.
Koivusalo
,
A.
Deiwick
,
S.
Miettinen
,
B.
Chichkov
, and
H.
Skottman
,
Biomaterials
171
,
57
(
2018
).
101.
Z.
Zhang
,
C.
Xu
,
R.
Xiong
,
D. B.
Chrisey
, and
Y.
Huang
,
Biomicrofluidics
11
,
034120
(
2017
).
102.
Z.
Zhang
,
R.
Xiong
,
D.
Corr
, and
Y.
Huang
,
Langmuir
32
,
3004
(
2016
).
103.
Z.
Zhang
,
R.
Xiong
,
R.
Mei
,
Y.
Huang
, and
D. B.
Chrisey
,
Langmuir
31
,
6447
(
2015
).
104.
L.
Koch
,
O.
Brandt
,
A.
Deiwick
, and
B.
Chichkov
,
Int. J. Bioprint.
3
,
42
(
2017
).
105.
H.
Desrus
,
B.
Chassagne
,
F.
Moizan
,
R.
Devillard
,
S.
Petit
,
R.
Kling
, and
S.
Catros
,
Appl. Opt.
55
,
3879
(
2016
).
106.
S.
Petit
,
O.
Kérourédan
,
R.
Devillard
, and
E.
Cormier
,
Appl. Opt.
56
,
8648
(
2017
).
107.
M.
Gruene
,
C.
Unger
,
L.
Koch
,
A.
Deiwick
, and
B.
Chichkov
,
Biomed. Eng. Online
10
,
19
(
2011
).
108.
S.
Catros
,
B.
Guillotin
,
M.
Bačáková
,
J.-C.
Fricain
, and
F.
Guillemot
,
Appl. Surf. Sci.
257
,
5142
(
2011
).
You do not currently have access to this content.