Journal of Zhejiang University

Current Issue: <BDM>

ISSN: 2096-5524 (print version); ISSN: 2522-8552 (electronic version); started in 2018, quarterly

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Bio-Design and Manufacturing (BDM) reports new research, new technology and new applications in the field of biomanufacturing, especially 3D bioprinting. As an interdisciplinary field, topics of this journal cover tissue engineering, regenerative medicine, mechanical devices from the perspectives of materials, biology, medicine and mechanical engineering, with a focus on manufacturing science and technology to fulfil the requirement of bio-design.

Bio-Design and Manufacturing

ISSN: 2096-5524 (print version); ISSN: 2522-8552 (electronic version); started in 2018, quarterly

2022 Vol.5 No.4 P.641-815

Cover:

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<<< CONTENTS >>>

Research Article

Rapid and mass manufacturing of soft hydrogel microstructures for cell patterns assisted by 3D printing

Chaofan He, Xuechun Chen, Yuan Sun, Mingjun Xie, Kang Yu, Jing He, Jinwei Lu, Qing Gao, Jing Nie, Yi Wang & Yong He

DOI: 10.1007/s42242-022-00207-1 Downloaded: 880 Clicked: 637 Cited: 0 Commented: 0(p.641-659) <Full Text>

Chinese summary <16> 【封面文章】浙大(dà)賀永、王毅等 | 生(shēng)物(wù)水凝膠微結構快速制造方法助力心肌細胞定向可控生(shēng)長

本研究論文聚焦助力心肌細胞定向可控生(shēng)長的生(shēng)物(wù)水凝膠微結構快速制造方法。生(shēng)物(wù)水凝膠上的微/納米結構廣泛用于誘導細胞圖案化。傳統的光刻技術制造模具既耗時又(yòu)昂貴，并且由于生(shēng)物(wù)水凝膠軟脆的特性，過大(dà)的脫模力極易導緻微結構損壞。本文提出一(yī)種快速批量制造細胞圖案的新方法，使用高精度3D打印模具，通過揭示熱-光交聯固化機制，實現低濃度-低取代率的GelMA水凝膠微結構高質高效制造（最低爲7%濃度-30%取代率）。利用該方法，可以穩定且低成本地制造特征尺寸爲6–80 μm任意定制的水凝膠圖案。在超軟水凝膠及高精度微結構的支持下(xià)，心肌細胞可實現每分(fēn)鍾216次（BPM）的持續自發搏動，接近大(dà)鼠心髒的自然搏動速率（300 BPM）。這項工(gōng)作爲細胞圖案化提供了一(yī)個通用方案，能廣泛應用于組織修複、藥物(wù)測試篩選等領域。

In vitro 3D malignant melanoma model for the evaluation of hypericin-loaded oil-in-water microemulsion in photodynamic therapy

Hui L. Ma, Wanlu Li, Mian Wang, Laudemir C. Varanda, Janice R. Perussi, Y. Shrike Zhang & Emanuel Carrilho

DOI: 10.1007/s42242-022-00202-6 Downloaded: 579 Clicked: 676 Cited: 0 Commented: 0(p.660-673) <Full Text>

Chinese summary <16> 巴西聖保羅大(dà)學Carrilho與哈佛醫學院Y. Shrike Zhang等 | 體(tǐ)外(wài)3D黑色素瘤模型用于光動力治療的評估

本研究論文聚焦體(tǐ)外(wài)3D黑色素瘤模型用于光動力治療的評估。體(tǐ)外(wài)3D黑色素瘤模型能夠更爲準确地重現體(tǐ)内腫瘤的生(shēng)理變化，因而成爲藥物(wù)篩選和疾病模拟的有效工(gōng)具。本文基于甲基丙烯酰明膠（GelMA）這一(yī)廣泛應用于3D 細胞培養的組織工(gōng)程支架制造的水凝膠，建立了負載金絲桃素（Hy）的微乳液（ME），以構建3D黑色素瘤體(tǐ)外(wài)模型，同時評估Hy-ME在光動力治療黑色素瘤中(zhōng)的效率。該研究使用的ME通過自發乳化法生(shēng)産，從而提高了Hy在腫瘤部位的生(shēng)物(wù)利用度。進一(yī)步通過光交聯Hy-ME、6% GelMA和B16F10 、Balb/c 3T3細胞，建立了體(tǐ)外(wài)3D黑色素瘤模型。結果顯示，含有Hy-ME的水凝膠比包含遊離(lí)Hy的水凝膠表現出更高的光毒性和細胞積累，表明開(kāi)發的Hy-ME微乳液體(tǐ)系可以作爲潛在的Hy載體(tǐ)。此外(wài)，3D培養的細胞比2D培養的細胞顯示更低的光動力治療敏感性。綜上，該研究揭示了基于GelMA 水凝膠的由模具構建的體(tǐ)外(wài)疾病模型，具有用戶友好且成本低廉的優勢，爲探究皮膚癌和其他皮膚相關疾病的納米載體(tǐ)遞送效率提供了有效平台。

Establishment of organoid models based on a nested array chip for fast and reproducible drug testing in colorectal cancer therapy

Yancheng Cui, Rongrong Xiao, Yushi Zhou, Jianchuang Liu, Yi Wang, Xiaodong Yang, Zhanlong Shen, Bin Liang, Kai Shen, Yi Li, Geng Xiong, Yingjiang Ye & Xiaoni Ai

DOI: 10.1007/s42242-022-00206-2 Downloaded: 605 Clicked: 532 Cited: 0 Commented: 0(p.674-686) <Full Text>

Chinese summary <16> 北(běi)京大(dà)學艾曉妮、北(běi)京大(dà)學人民醫院葉穎江等 | 基于嵌套式微陣列芯片的類器官模型（類器官芯片）的結直腸癌藥物(wù)測試體(tǐ)系

本研究論文聚焦新型高通量嵌套式微陣列類器官芯片模型的開(kāi)發，并爲臨床結直腸癌藥物(wù)測試體(tǐ)系提供了基礎。傳統基于孔闆的類器官（patient-derived organoid, PDO）模型構建平台，因其生(shēng)長速度緩慢(màn)以及類器官高變異性，導緻類器官均一(yī)性差、藥效結果可重複性低等弊端，在腫瘤精準醫療實際應用中(zhōng)表現出較大(dà)的局限性。本研究首次建立了一(yī)種基于嵌套式微陣列芯片的類器官培養體(tǐ)系（類器官芯片）。研究者首先構建了小(xiǎo)鼠小(xiǎo)腸和結腸類器官模型，通過與傳統孔闆平台進行對比，芯片上的小(xiǎo)鼠類器官的生(shēng)長速度和可重複性均有較大(dà)提升。芯片的結構設計可以使得Matrigel用量更少，鋪展更均勻，并允許類器官以一(yī)種集中(zhōng)和可控的方式生(shēng)長。之後，在芯片上，研究者構建了3例PDO模型用于高通量藥物(wù)篩選，測試了9種不同治療方案。PDO模型的藥物(wù)敏感性測試結果展現了優異的質控效果。與傳統孔闆培養平台相比，類器官芯片不僅促進了類器官的生(shēng)長，同時提高了培養體(tǐ)系的穩定性，爲腫瘤精準治療提供了一(yī)個快速、可重複性的新型藥物(wù)篩選平台。

（本文第一(yī)作者爲北(běi)京大(dà)學人民醫院崔豔成醫生(shēng)，北(běi)京大(dà)橡科技有限公司肖榮榮研究員(yuán)（共同一(yī)作），共同通訊作者爲北(běi)京大(dà)學艾曉妮副教授和北(běi)京大(dà)學人民醫院葉穎江教授）

Generation of ring-shaped human iPSC-derived functional heart microtissues in a Möbius strip configuration

Yan Xu, Jingqi Qi, Wenyan Zhou, Xing Liu, Longbo Zhang, Xudong Yao & Hongwei Wu

DOI: 10.1007/s42242-022-00204-4 Downloaded: 523 Clicked: 419 Cited: 0 Commented: 0(p.687-699) <Full Text>

Chinese summary <16> 中(zhōng)南(nán)大(dà)學吳宏偉、浙大(dà)姚旭東等 | 模拟莫比烏斯環構建環狀人類誘導多能幹細胞衍生(shēng)的功能性心髒微組織

本研究論文首次将莫比烏斯（Möbius）模拟心髒結構的概念引入心髒微組織的構建，獲得具有成熟的細胞外(wài)基質和良好的力學性能的心髒微組織。目前，心髒微組織的構建很大(dà)程度上依賴于二維細胞培養和動物(wù)模型。二維細胞培養成本低且易于應用，但無法預測藥物(wù)療效和毒性檢測。動物(wù)模型由于人和動物(wù)之間的生(shēng)理差異，包括心跳速度、電生(shēng)理學、肌絲組成、能量學和鈣循環，可能無法檢測藥物(wù)的副作用或者模拟疾病的進展。此外(wài)，倫理和監管問題一(yī)直限制着動物(wù)實驗。因此，迫切需要開(kāi)發新的平台來了解心髒病的進展、疾病管理和藥物(wù)篩選。在這裏，我(wǒ)們開(kāi)發了一(yī)種由腔特異性組織組成的新型環狀心髒微組織，以模拟出幾何上類似于Möbius環的心室心肌帶。心髒環狀組織由人類誘導多能幹細胞來源的心肌細胞(hiPSC-CMs)和人心髒成纖維細胞組成，通過便捷高效的細胞自組裝，表現出心髒的基本解剖結構，心肌肌鈣蛋白(bái)T (cTnT)免疫染色陽性，鈣瞬變規則，心髒樣機械強度等特性。研究顯示，心髒環可以自組裝并被放(fàng)大(dà)成各種尺寸，具有出色的穩定性，展現出其在精确治療、病理生(shēng)理學研究和大(dà)規模藥物(wù)篩選方面的潛力。

Laser-induced jigsaw-like graphene structure inspired by Oxalis corniculata Linn. leaf

Wentao Wang, Longsheng Lu, Xiaoyu Lu, Zhanbo Liang, Biao Tang & Yingxi Xie

DOI: 10.1007/s42242-022-00197-0 Downloaded: 517 Clicked: 497 Cited: 0 Commented: 0(p.700-713) <Full Text>

Chinese summary <16> 華南(nán)理工(gōng)陸龍生(shēng)、謝穎熙等 | 受酢漿草拼圖結構啓發的激光誘導三維多級石墨烯及其表面超疏水應用

本研究論文聚焦激光誘導三維多級石墨烯及其表面超疏水應用。激光劃刻聚酰亞胺(PI, Kapton)薄膜是制備石墨烯的一(yī)種簡單有效的新方法，在此基礎上，構築超疏水表面無疑可進一(yī)步拓寬其應用領域。本文從天然酢漿草葉片的疏水和自清潔特性出發，提出一(yī)種超疏水激光誘導石墨烯(LIG)的仿生(shēng)制備方法。通過優化先刻蝕、後誘導生(shēng)長的二步激光工(gōng)藝，可以調整LIG的幾何參數(尺寸、粗糙度和高度/面積比)和化學組成，得到三維多級仿生(shēng)結構LIG，包括拼圖結構和多孔結構。三維多級仿生(shēng)結構LIG的靜水接觸角(WCA)爲153.5°±0.6°，水滑動角(WSA)爲2.5°±0.5°，超疏水穩定性可維持100天(WCA≈150°)。研究結果表明這些優異的拒水性能主要是由拼圖狀LIG的多孔結構主導，可以在固液界面捕獲空氣層，賦予LIG強大(dà)的自清潔和防粘功能，證實了其在未來生(shēng)物(wù)醫學器件中(zhōng)的巨大(dà)應用潛力。

Mechanical stretching of 3D hydrogels for neural stem cell differentiation

Quanjing Mei, Ho-Yin Yuen & Xin Zhao

DOI: 10.1007/s42242-022-00209-z Downloaded: 515 Clicked: 544 Cited: 0 Commented: 0(p.714-728) <Full Text>

Chinese summary <17> 香港理工(gōng)大(dà)學趙昕、梅全靜等 | 機械拉伸3D水凝膠誘導神經幹細胞的分(fēn)化

本研究論文聚焦3D力學微環境誘導神經幹細胞(NSC)的定向分(fēn)化。NSC的定向分(fēn)化對神經再生(shēng)研究和神經系統損傷的治療起着重要作用，在衆多影響神經分(fēn)化的因素中(zhōng)，力學微環境是關鍵的要素之一(yī)。既往的神經力學研究多局限于二維環境(2D)，即使用2D基質來闡明機械刺激對神經分(fēn)化的影響，然而這些2D基質難以模拟體(tǐ)内NSC三維環境(3D)。鑒于此，本研究制備了一(yī)系列柔軟且有彈性的3D水凝膠來模拟神經三維力學微環境，并研究了基質剛度及機械拉伸對NSC分(fēn)化的影響。研究者以甲基丙烯酸酐化明膠(GelMA)和長鏈聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)爲基礎，通過調整兩者的比例得到了不同模量的仿生(shēng)水凝膠。研究表明，GelMA-PEGDA水凝膠具有高生(shēng)物(wù)相容性，可支持NSC在3D環境中(zhōng)生(shēng)長、增殖、分(fēn)化。通過觀察NSC在不同基質剛度的水凝膠中(zhōng)的狀态，研究者發現NSC在相對較硬的基質中(zhōng)更傾向于分(fēn)化成爲膠質細胞，而在相對較軟的基質中(zhōng)更傾向于分(fēn)化成爲神經細胞。進一(yī)步的3D拉伸實驗證明，機械拉伸可以顯著增強NSC的分(fēn)化和軸突的生(shēng)長，而且神經軸突更傾向于向拉伸方向延伸。免疫細胞化學和相關基因表達也表明，機械拉伸可以上調神經分(fēn)化蛋白(bái)和基因的表達。總體(tǐ)而言，本文不僅豐富了NSC在3D力學微環境中(zhōng)定向分(fēn)化的研究，而且爲神經幹細胞治療的有效性和可行性提供了基礎。

Review

Development of conductive hydrogels: from design mechanisms to frontier applications

Yang Hong, Zening Lin, Zirong Luo, Tao Jiang, Jianzhong Shang & Yun Yang

DOI: 10.1007/s42242-022-00208-0 Downloaded: 728 Clicked: 478 Cited: 0 Commented: 0(p.729-756) <Full Text>

Chinese summary <16> 國防科大(dà)羅自榮&蔣濤等丨導電水凝膠的發展：從設計機理到前沿應用

本綜述論文聚焦導電水凝膠的功能設計方法及應用的研究進展。随着導電水凝膠材料相關研究的逐漸發展，其日趨完善的高度可拉伸性、自愈合性、透明性、良好的導電性等優異性能在衆多領域受到了青睐。但其機械強度低、交聯密度分(fēn)布不均勻、生(shēng)物(wù)降解性和生(shēng)物(wù)相容性不足等問題，對水凝膠材料的研究發展提出了更高的要求。本文首先對近年來發表的導電水凝膠相關研究進行了總結和分(fēn)析，描述了導電水凝膠的特性，總結了導電水凝膠領域的發展趨勢。其次，介紹了導電水凝膠網絡交聯的類型和基本的功能設計方法，并總結了導電水凝膠的三維結構成型方法。此外(wài)，本文還介紹了導電水凝膠在能源與動力技術、儀器科學與技術、電子科學與技術、生(shēng)物(wù)醫學技術等領域的應用。最後，讨論了當前導電水凝膠研究發展中(zhōng)存在的一(yī)些問題。相信性能愈加完善的導電水凝膠終将爲衆多領域的研究發展提供契機。

Structural design and mechanical performance of composite vascular grafts

Abdul Wasy Zia, Rong Liu & Xinbo Wu

DOI: 10.1007/s42242-022-00201-7 Downloaded: 917 Clicked: 460 Cited: 0 Commented: 0(p.757-785) <Full Text>

Chinese summary <16> 香港理工(gōng)大(dà)學Rong Liu等 | 複合血管移植物(wù)的結構設計與力學性能研究

本綜述論文聚焦人工(gōng)血管的結構設計技術和相關力學性能研究。随着全球老齡化、心血管疾病患者的增加以及醫療科技的不斷進步，人造血管的需求逐年增長。人工(gōng)血管是許多嚴重狹窄或閉塞性血管的替代品，大(dà)/中(zhōng)口徑的人工(gōng)血管已經在臨床使用中(zhōng)取得了一(yī)定效果，但成本較高、産量有限；小(xiǎo)口徑人工(gōng)血管需要克服内膜增生(shēng)/血栓形成等問題，對材料和結構設計有更高要求。本文綜述了人工(gōng)血管的各種表面和基體(tǐ)結構設計技術，分(fēn)析了多種人造血管複合材料的制備方法、結構、性能特點以及力學表現。随着生(shēng)物(wù)力學模拟、人工(gōng)智能和大(dà)數據科技在診斷、設計、快速制造以及評測方面的發展，具有高順應性、個性化、生(shēng)物(wù)相容性好、耐用且性價比高的血管移植物(wù)将得到進一(yī)步開(kāi)發和應用。

4D printing of soft orthoses for tremor suppression

Moslem Mohammadi, Ali Zolfagharian, Mahdi Bodaghi, Yong Xiang & Abbas Z. Kouzani

DOI: 10.1007/s42242-022-00199-y Downloaded: 835 Clicked: 446 Cited: 0 Commented: 0(p.786-807) <Full Text>

Chinese summary <16> 迪肯大(dà)學Ali Zolfagharian等 | 4D打印柔性手部除顫器

本綜述論文回顧了手部除顫器的各種形式，并展望了4D打印在其中(zhōng)的發展趨勢。震顫是一(yī)種不自主和振蕩的運動障礙，使受影響的患者難以進行日常活動。手部震顫抑制矯形器是無創的可穿戴設備，旨在減輕震顫。各種研究表明，這些設備是有效、經濟和安全的;但是，它們具有諸如重量大(dà)、形狀笨拙和剛性部件等缺點。本研究調研了不同類型的震顫抑制矯形器，并讨論了它們的效率、機制和優缺點。首先，詳細描述了各種矯形器（具有被動、半主動和主動機制）。接下(xià)來，作者介紹了增材制造（AM）最近在制造用于震顫矯形器的傳感器和執行器方面取得的進展，并進一(yī)步分(fēn)析增材制造技術中(zhōng)使用的材料。研究發現，傳統的制造問題可以借助AM技術解決，例如使矯形器價格合理，更輕，更便于定制。正被廣泛讨論的另一(yī)個概念是使用智能材料和AM方法，例如4D打印，以使矯形器更加舒适和高效。

Case Report

3D printing of patient-specific 316L–stainless–steel medical implants using fused filament fabrication technology: two veterinary case studies

J. M. Chacón, P. J. Núñez, M. A. Caminero, E. García-Plaza, J. Vallejo & M. Blanco

DOI: 10.1007/s42242-022-00200-8 Downloaded: 427 Clicked: 365 Cited: 0 Commented: 0(p.808-815) <Full Text>

Chinese summary <16> 西班牙UCLM Chacón等 | 使用熔絲制造技術針對患者定制的316L不鏽鋼醫用植入物(wù)進行3D打印：兩個獸醫案例研究

本案例研究聚焦醫用不鏽鋼植入物(wù)3D打印，并詳細報道了兩例治療案例。生(shēng)物(wù)醫學骨折固定植入物(wù)往往具有複雜(zá)的幾何結構，能夠完美貼合斷骨形貌。通過傳統的加工(gōng)制造方式制造該種植入物(wù)價格昂貴且存在很多困難。熔絲制造成型技術（FFF）是一(yī)種非常流行的增材制造技術。FFF技術簡化了擁有複雜(zá)幾何形狀的零件的加工(gōng)制造過程，是一(yī)種理想的定制醫療植入物(wù)的加工(gōng)制造方式。基于FFF技術的具有生(shēng)物(wù)相容性的新型熱塑性材料的運用，如PEEK或316L金屬雜(zá)化聚合物(wù)，爲使用FFF技術制造患者專用的生(shēng)物(wù)醫學植入物(wù)開(kāi)拓了新的可能性。本研究探索了一(yī)種利用标準計算機輔助技術（CAx）和基于FFF的316L不鏽鋼加工(gōng)制造以及後續的脫脂和燒結階段設計和制造患者專用的生(shēng)物(wù)醫學植入體(tǐ)的創新技術。本研究的目标是爲生(shēng)物(wù)醫學骨折固定植入物(wù)的3D制造過程建立一(yī)個系統的工(gōng)作流程。這項工(gōng)作的貢獻是雙重的，在概念和程序上都有所體(tǐ)現。提出的CAx工(gōng)作流程已在兩例獸醫案例研究中(zhōng)得到成功應用，證實了采用FFF技術加工(gōng)定制具有生(shēng)物(wù)相容性的AISI 316L不鏽鋼生(shēng)物(wù)醫學植入物(wù)的适用性。