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

2023 Vol.6 No.4 P.373-506

Cover:

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<<< CONTENTS >>>

Research Article

Research Article: 3D-bioprinted cholangiocarcinoma-on-a-chip model for evaluating
drug responses

Qiong Liu, Luis S. Mille, Cesar Villalobos, Ingrid Anaya, Matthias Vostatek, Sili Yi, Wanlu Li, Junlong Liao, Huanghui Wu, Yongteng Song, Lize Xiong & Yu Shrike Zhang

DOI: 10.1007/s42242-022-00229-9 Downloaded: 350 Clicked: 360 Cited: 0 Commented: 0(p.373-389) <Full Text>

Chinese summary <4> 【封面文章】哈佛醫學院Yu Shrike Zhang等 | 基于3D生(shēng)物(wù)打印的膽管癌芯片在藥物(wù)篩選中(zhōng)的應用

本研究論文聚焦基于3D生(shēng)物(wù)打印的膽管癌芯片在藥物(wù)篩選中(zhōng)的應用。膽管癌（CCA）因爲高異質性、低生(shēng)存率，迫切需要開(kāi)發有效的治療藥物(wù)。然而，現有的CCA藥篩模型通常無效，也是至今臨床上未有針對膽管癌有效藥物(wù)的重要原因。爲此，作者基于犧牲打印和3D生(shēng)物(wù)打印，構建了仿生(shēng)CCA芯片模型：将膽管細胞、肝細胞和血管内皮細胞用于模型的3D生(shēng)物(wù)打印，從而實現高度的空間和管狀微結構模拟，該模型在很大(dà)程度上類似于肝實質-血管-膽道系統的多細胞微環境和解剖微結構（圖1），以進行高效的抗腫瘤藥物(wù)篩選。

CCA是肝髒的原發性腫瘤，主要發生(shēng)在肝外(wài)膽管腔内；60%-70%位于肝門周圍區域，約25%位于遠端導管，其餘位于肝髒（圖2a）。膽管細胞、肝細胞和血管在解剖學上有着非常密切的關系，并且通常被确定參與膽管疾病的病理生(shēng)理學（圖2b）。由于該疾病的複雜(zá)性，以及需要更好的體(tǐ)外(wài)模型來闡明CCA的發生(shēng)、進展和藥物(wù)篩選，文中(zhōng)作者提出的CCA模型從單層2D單培養改進爲精心設計的、基于3D生(shēng)物(wù)打印的3D共培養芯片模型，該模型由模拟細胞外(wài)基質的水凝膠和膽管細胞、肝細胞和血管内皮細胞組成的微環境構成（圖2c-i-iii）。

作者首先利用犧牲打印，構建了3D 肝實質-血管-膽道多細胞芯片（圖3a，b），并證明了3種細胞可以在共培養體(tǐ)系中(zhōng)保持細胞活性（圖3c，d）。更有意義的是，當培養9天時，在CCA芯片模型中(zhōng)觀察到RBE細胞的以局部增厚的方式過度生(shēng)長，産生(shēng)與體(tǐ)内類似的膽管狹窄（圖3f），這意味着這些模型的微觀結構和微環境有利于CCA細胞仿生(shēng)生(shēng)長和腫瘤增生(shēng)，而傳統的2D培養無法模拟這一(yī)特殊增殖現象。

爲了進一(yī)步驗證3D 肝實質-血管-膽道多細胞芯片的藥篩用途，作者分(fēn)别将環磷酰胺（Cyclophosphamide，CTX）作用于2D和3D CCA芯片，CTX是進入人體(tǐ)内被肝髒或腫瘤内存在的過量的磷酰胺酶或磷酸酶水解，變爲活化作用型的磷酰胺氮芥而起作用的氮芥類衍生(shēng)物(wù)。CTX在體(tǐ)外(wài)無活性，主要通過肝髒P450酶水解成醛磷酰胺再運轉到組織中(zhōng)形成磷酰胺氮芥而發揮作用。結果證明，CTX對2D培養的膽管癌細胞無顯著毒性，而作用于肝實質-血管-膽道多細胞CCA芯片的CTX，顯示了劑量依賴的毒性作用（圖4c）。以上結果說明了芯片中(zhōng)肝細胞提供了P450對抗腫瘤前藥CTX的轉化作用，驗證了CCA芯片對抗腫瘤新藥研發的優勢性。

基于DLP的3D生(shēng)物(wù)打印能夠快速選擇性地固化生(shēng)物(wù)墨水，可根據具體(tǐ)設計實現交聯3D結構，該結構包含比犧牲生(shēng)物(wù)打印更複雜(zá)的結構。作者利用該技術打印了系列膽管癌芯片，具備以下(xià)特殊結構：1. 肝細胞-血管内皮細胞-膽管癌細胞工(gōng)作的肝小(xiǎo)葉結構（圖5a，b）；2. 模拟肝髒中(zhōng)雙血供的血管微通道的空間解剖結構+模拟膽管樹(shù)的雙層分(fēn)支導膽管結構（圖5c）；3. 互相交錯的血管-膽管結構（圖5d）。模塊尺寸爲6 mm×6 mm，厚度爲5 mm。微通道的直徑小(xiǎo)至200–500 µm（圖5e）。随後的灌注進一(yī)步證實了這些微通道的相互連接（圖5f）。這些模型表明，其與天然CCA的複雜(zá)結構（傳入血管和膽管穿過肝髒）的相似性得到了改善，并将成爲未來CCA研究和篩選治療方法的合适工(gōng)具。

綜上所述，該文通過犧牲或基于DLP的生(shēng)物(wù)打印創建了一(yī)系列3D CCA芯片三培養模型，這些模型被證明在很大(dà)程度上模拟了天然CCA微環境與微結構，該模型代表了一(yī)種潛在的膽管癌新藥研發和個性化抗膽管癌藥物(wù)篩選方法。該文的第一(yī)作者爲上海市麻醉與腦功能調控重點實驗室、同濟醫學院腦功能與人工(gōng)智能轉化研究所、同濟大(dà)學附屬第四人民醫院研究員(yuán)劉瓊，哈佛醫學院Y. Shrike Zhang爲通訊作者。

Research Article: Performance of novel 3D printing tools in removing coronary-artery
calcification tissue

Chuhang Gao, Zhaoju Zhu, Zirui Huang, Liujing Chen, Lihong Lu, Mingcheng Fang, Yao Liu & Bingwei He

DOI: 10.1007/s42242-022-00228-w Downloaded: 247 Clicked: 304 Cited: 0 Commented: 0(p.390-404) <Full Text>

Chinese summary <5> 福州大(dà)學朱兆聚與高楚航等 | 基于冠狀動脈旋磨術的新型旋磨刀具設計及性能驗證

本研究論文聚焦冠狀動脈粥樣硬化介入治療，提出了三種适用于冠狀動脈旋磨術的新型旋磨刀具。冠狀動脈旋磨術（Coronary Rotational Atherectomy，CRA）作爲一(yī)種治療重度血管鈣化阻塞的有效手段，主要依靠微小(xiǎo)磨頭在體(tǐ)内高速磨削以達到去(qù)除鈣化組織并恢複血運的功效。但由于旋磨過程中(zhōng)旋磨力、溫度以及碎屑直接作用于人體(tǐ)，容易造成機體(tǐ)損傷，因此關于術中(zhōng)并發症的報道屢見不鮮。針對旋磨術中(zhōng)存在的組織損傷問題，本文提出了三種新型旋磨刀具并搭建配套實驗平台，分(fēn)别使用四種轉速80000、110000、140000、170000rpm進行旋磨實驗，分(fēn)析旋磨過程中(zhōng)旋磨刀具參數與旋磨參數對旋磨力、溫度、磨削深度以及磨屑的影響，觀察旋磨刀具運動軌迹以及旋磨後的試樣磨損情況。實驗結果表明：所設計的旋磨刀具均能夠有效旋磨去(qù)除模拟鈣化組織；旋磨刀具在管腔内存在自轉與公轉兩種運動形式，運動速度取決于旋磨轉速大(dà)小(xiǎo)；随着旋磨轉速的增大(dà)，旋磨力、旋磨溫升、磨削深度顯著增大(dà)而磨屑粒徑明顯減小(xiǎo)。同時，通過觀察試樣表面形貌可以得到單位時間内材料去(qù)除率受到轉速與刀具參數的影響，高轉速與粗糙刀具表面都會使材料去(qù)除率得到提升。

Research Article: Enhancement of intranasal mucosal immunization of mucosal vaccines
by ultrasonic treatment

Haowei Xu, Yang Liao, Mankovskaya Svetlana, Deguang Yang, Huaibin Wan & Zonghua Liu

DOI: 10.1007/s42242-023-00231-9 Downloaded: 292 Clicked: 259 Cited: 0 Commented: 0(p.405-422) <Full Text>

Chinese summary <4> 暨南(nán)大(dà)學劉宗華團隊 | 超聲促進MnO₂疫苗制劑誘導鼻粘膜免疫應答

本研究論文聚焦于超聲波輔助增強疫苗制劑的粘膜免疫遞送。如今，大(dà)多數傳染病的病原體(tǐ)通過粘膜部位侵入宿主，而粘膜疫苗的免疫接種是防治這些傳染病的最佳手段。粘膜疫苗的接種方式，以口服遞送與鼻腔遞送最常見。然而，在遞送過程中(zhōng)，由于疫苗制劑易被快速清除、難以穿過粘膜表層等原因，而導緻遞送效率低下(xià)，粘膜疫苗接種效果不佳。本文中(zhōng)，我(wǒ)們探究了是否可通過超聲促進疫苗制劑的鼻粘膜遞送而增強粘膜免疫應答。爲此，我(wǒ)們以MnO2爲疫苗載體(tǐ)/佐劑，在其表面塗覆COS以增強粘膜吸附性，進一(yī)步物(wù)理吸附模型抗原—OVA，構建成納米顆粒狀疫苗制劑MnO2@COS@OVA。通過鼻粘膜免疫接種研究發現，超聲處理可促進抗原遞呈和鼻粘膜組織中(zhōng)DCs與巨噬細胞的募集以及T細胞浸潤。在超聲輔助下(xià)，MnO2@COS@OVA顆粒可促進體(tǐ)内外(wài)DCs成熟，并促進體(tǐ)内效應記憶 T 細胞的産生(shēng)，促進體(tǐ)外(wài)脾細胞分(fēn)泌細胞因子。超聲處理顯著提高了實驗鼠鼻粘膜與生(shēng)殖道粘膜分(fēn)泌型IgA抗體(tǐ)水平。此外(wài)，實驗數據表明，MnO2@COS@OVA顆粒具有良好的生(shēng)物(wù)相容性，對鼻粘膜組織與體(tǐ)内重要器官未造成明顯損傷。這些數據表明，超聲處理可促進粘膜疫苗誘導高效免疫應答，爲粘膜疫苗開(kāi)放(fàng)與臨床轉化提供新思路。

Research Article: Trilayer anisotropic structure versus randomly oriented structure
in heart valve leaflet tissue engineering

Yuriy Snyder & Soumen Jana

DOI: 10.1007/s42242-023-00237-3 Downloaded: 240 Clicked: 313 Cited: 0 Commented: 0(p.423-438) <Full Text>

Chinese summary <4> 密蘇裏大(dà)學Soumen Jana等 | 三層各向異性結構與随機取向結構在心髒瓣膜組織工(gōng)程中(zhōng)的比較

本研究論文聚焦具有定向特征的異質結構在以組織工(gōng)程法制造心髒瓣膜組的應用。現有假設認爲，具有三層結構和各向異性力學特性的瓣膜基質可能對功能性和持久性組織工(gōng)程瓣膜的制造産生(shēng)積極作用。爲了研究基質的各向異性結構和力學特性對細胞的影響，本研究使用聚己内酯聚合物(wù)電紡制備了三層各向異性纖維基質和随機定向各向同性纖維基質（作爲對照）。結果表明，随機基質的徑向和周向拉伸性能高于具備各向異性的三層基質，但二者的彎曲性能相似。在這兩種基質上培養的豬瓣膜間質細胞分(fēn)别産生(shēng)了随機和三層細胞培養構建物(wù)。三層細胞培養結構具有強的各向異性的力學特性，細胞增殖率高出17％，胞外(wài)基質（如膠原蛋白(bái)和粘多糖）産量增加14％，并且基因和蛋白(bái)表達更優，表明相較于各向同性結構，三層構建物(wù)中(zhōng)的細胞處于更好的生(shēng)長狀态。此外(wài)，三層構建物(wù)的随機和徑向層比環向層具有更多的波形蛋白(bái)、膠原蛋白(bái)、轉化生(shēng)長因子-beta 1（TGF-ß1）和轉化生(shēng)長因子-beta 3（TGF-ß3）基因表達。該研究證實，三層和随機基質的結構、拉伸和各向異性特性可以差異影響所打印結構中(zhōng)細胞和胞外(wài)基質的特性。

Research Article: 3D-printed engineered bacteria-laden gelatin/sodium alginate
composite hydrogels for biological detection of ionizing radiation

Ziyuan Chen, Jintao Shen, Meng Wei, Wenrui Yan, Qiucheng Yan, Zhangyu Li, Yaqiong Chen, Feng Zhang, Lina Du, Bochuan Yuan & Yiguang Jin

DOI: 10.1007/s42242-023-00238-2 Downloaded: 269 Clicked: 362 Cited: 0 Commented: 0(p.439-450) <Full Text>

Chinese summary <4> 軍事科學院軍事醫學研究院金義光團隊 | 3D打印裝載工(gōng)程菌的明膠海藻酸鈉複合水凝膠用于電離(lí)輻射的生(shēng)物(wù)檢測

本研究論文聚焦于工(gōng)程化細菌檢測環境因素的載體(tǐ)制備及制造研究。利用工(gōng)程菌檢測環境中(zhōng)的化學毒物(wù)、重金屬、放(fàng)射性物(wù)質等有害因素具有廣闊的應用前景，但由于工(gōng)程菌自身條件限制，大(dà)多無法在外(wài)界環境中(zhōng)現場應用。近年來，生(shēng)物(wù)3D打印水凝膠被廣泛用于活細胞培養、組織工(gōng)程等方面，其在保證細胞活性的前提下(xià)還可根據不同應用場景進行形狀的個性化設計，有望解決工(gōng)程菌現場應用問題。本研究從環境電離(lí)輻射檢測的問題出發，通過構建工(gōng)程菌并根據性能進行篩選，得到了可在電離(lí)輻射誘導下(xià)産生(shēng)綠色熒光信号的輻射響應工(gōng)程菌。以明膠和海藻酸鈉作爲主要材料，設計不同配方的水凝膠，通過比較其成膠性能、壓縮性能和可打印性等篩選得到最優的水凝膠載體(tǐ)。将工(gōng)程菌載入水凝膠載體(tǐ)中(zhōng)，通過存活率和熒光強度檢測發現3D打印水凝膠可作爲活細菌的優良載體(tǐ)，爲工(gōng)程菌提供與培養基相媲美的培養條件以及支撐和保護作用。最終制備得到的3D打印載菌明膠/海藻酸鈉複合水凝膠能在受到電離(lí)輻射時産生(shēng)綠色熒光，實現環境電離(lí)輻射的報告。本研究采用的生(shēng)物(wù)3D打印水凝膠技術爲工(gōng)程菌實現環境監測應用提供了新的策略，爲環境電離(lí)輻射監測提供了一(yī)種新的方法。

Research Article: 3D printing of personalized polylactic acid scaffold laden
with GelMA/autologous auricle cartilage to promote ear
reconstruction

Xingyu Gui, Zhiyu Peng, Ping Song, Li Chen, Xiujuan Xu, Hairui Li, Pei Tang, Yixi Wang, Zixuan Su, Qingquan Kong, Zhenyu Zhang, Zhengyong Li, Ying Cen, Changchun Zhou, Yujiang Fan & Xingdong Zhang

DOI: 10.1007/s42242-023-00242-6 Downloaded: 298 Clicked: 300 Cited: 0 Commented: 0(p.451-463) <Full Text>

Chinese summary <4> 四川大(dà)學樊渝江周長春團隊 | 3D打印個性化聚乳酸支架複合GelMA自體(tǐ)耳廓軟骨碎片以促進耳廓重建

本研究論文聚焦于通過3D打印和組織工(gōng)程相結合來精确重建耳廓。目前，小(xiǎo)耳畸形導緻的耳廓缺損在臨床上通常采用自體(tǐ)肋軟骨重建耳廓。這種方法對患者創傷大(dà)，可塑性困難，形狀不精确。三維打印技術在個性化植入物(wù)的臨床應用中(zhōng)取得了巨大(dà)突破。本研究采用3D打印和組織工(gōng)程方法相結合以促進耳廓重建。首先，3D打印了精确定制的聚乳酸（PLA）耳廓支架，然後将耳廓軟骨碎片加載到PLA支架中(zhōng)以重建耳廓。在體(tǐ)外(wài)，研究了負載不同大(dà)小(xiǎo)兔耳軟骨碎片的甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠，以評估各種自體(tǐ)軟骨碎片的再生(shēng)活性。在體(tǐ)内，将大(dà)鼠耳軟骨碎片放(fàng)置在設計的多孔PLA耳廓支架中(zhōng)，以促進耳廓重建。結果表明，軟骨碎片中(zhōng)的軟骨細胞能夠在體(tǐ)外(wài)維持形态表型。經過三個月植入觀察，多孔支架複合軟骨碎片有利于促進體(tǐ)内軟骨的再生(shēng)。由此，自體(tǐ)軟骨碎片結合3D打印技術在耳廓重建中(zhōng)顯示出良好的潛力。

Research Article: The use of machine learning to predict the effects of cryoprotective
agents on the GelMA-based bioinks used in extrusion cryobioprinting

Qian Qiao, Xiang Zhang, Zhenhao Yan, Chuanyu Hou, Juanli Zhang, Yong He, Na Zhao, Shujie Yan, Youping Gong & Qian Li

DOI: 10.1007/s42242-023-00244-4 Downloaded: 292 Clicked: 334 Cited: 0 Commented: 0(p.464-477) <Full Text>

Chinese summary <4> 鄭州大(dà)學張響李倩教授團隊丨使用機器學習算法預測冷凍生(shēng)物(wù)打印中(zhōng)冷凍保護劑的效果

本研究論文聚焦于冷凍生(shēng)物(wù)打印中(zhōng)冷凍保護劑的配方及其性能預測研究。利用機器學習算法，以細胞存活率爲指标，預測不同配方的冷凍保護劑的性能。冷凍生(shēng)物(wù)打印将擠出式生(shēng)物(wù)打印與冷凍保存相結合，具有解決傳統生(shēng)物(wù)打印缺乏貨架可用性問題的巨大(dà)潛力。爲了保證細胞在冷凍狀态下(xià)的活性，同時避免二甲基亞砜(DMSO)可能産生(shēng)的毒性，無DMSO的生(shēng)物(wù)墨水設計是冷凍生(shēng)物(wù)打印的關鍵。然而，開(kāi)發通用和高效的生(shēng)物(wù)墨水需要大(dà)量的實驗。本研究首先通過實驗比較了兩種常用的冷凍保護劑（CPA）配方。結果表明，乙二醇作爲滲透性CPA的效果比甘油的保護性能好6.07%。随後建立了兩個數據集和四個不同的機器學習模型來預測實驗結果。比較了多元線性回歸(MLR)、決策樹(shù)(DT)、随機森(sēn)林(RF)和人工(gōng)神經網絡(ANN)算法的預測能力，其順序爲ANN>RF>DT>MLR。然後将所建立的ANN模型應用于另一(yī)個數據集。結果表明，使用機器學習算法可以準确預測由不同CPA組成的生(shēng)物(wù)墨水的效果。此外(wài)，本研究提出的方法具有泛化性，有望加快用于冷凍生(shēng)物(wù)打印的生(shēng)物(wù)墨水的研究和發展。

Review

Review: The feasible application of microfluidic tissue/organ-on-a-chip
as an impersonator of oral tissues and organs: a direction for future
research

Nima Farshidfar, Sahar Assar, Mohammad Amin Amiri, Sarina Sahmeddini, Shahram Hamedani, Moein Zarei & Lobat Tayebi

DOI: 10.1007/s42242-023-00235-5 Downloaded: 707 Clicked: 270 Cited: 0 Commented: 0(p.478-506) <Full Text>

Chinese summary <4> 伊朗Nima Farshidfar等 | 微流控組織器官芯片作爲口腔組織和器官模仿器的可行應用：未來研究方向

本綜述論文聚焦微流控組織/器官芯片作爲口腔組織和器官模仿器的可行應用。目前，細胞培養模型在确定各種條件下(xià)的細胞行爲方面發揮着關鍵作用。然而，準确模拟仿生(shēng)理狀況的細胞行爲仍然是一(yī)個挑戰。爲了克服這一(yī)挑戰，研究人員(yuán)已經嘗試開(kāi)發了三維細胞培養模型。微流體(tǐ)組織/器官芯片（TOOC）是一(yī)種新裝置，它爲研究人員(yuán)提供了在幾乎與身體(tǐ)生(shēng)理條件相似的培養基中(zhōng)培養細胞的可能性。TOOC可以設計成簡單或複雜(zá)的模型，這些模型大(dà)多通過軟光刻制造。這些新穎的結構已被開(kāi)發用于模拟各種組織和器官的狀況；然而，口腔和牙齒組織的微流體(tǐ)模型尚未得到廣泛應用。TOOC在口腔組織/器官中(zhōng)的應用可以提供研究細胞與牙科中(zhōng)使用的生(shēng)物(wù)材料的相互作用的機會。此外(wài)，TOOC可以提供更準确地研究口腔組織/器官的細胞相互作用和發育階段的機會。本文綜述了口腔組織TOOC開(kāi)發領域的當前進展，全面了解了這一(yī)新興概念，展示了迄今爲止這些新模型在口腔組織/器官模仿方面的進展和應用，并揭示了TOOC面臨的局限性。此外(wài)，還讨論了未來的應用前景。