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

2024 Vol.7 No.1 P.1-103

Cover:

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<<< CONTENTS >>>

Research Article

Research Article: Bionic lightweight design of limb leg units for hydraulic quadruped robots by additive manufacturing and topology optimization

Huaizhi Zong, Junhui Zhang, Lei Jiang, Kun Zhang, Jun Shen, Zhenyu Lu, Ke Wang, Yanli Wang & Bing Xu , Huaizhi Zong, Junhui Zhang, Lei Jiang, Kun Zhang, Jun Shen, Zhenyu Lu, Ke Wang, Yanli Wang & Bing Xu

DOI: 10.1007/s42242-023-00256-0 Downloaded: 140 Clicked: 186 Cited: 0 Commented: 0(p.1-13) <Full Text>

Chinese summary <4> 【封面文章】浙江大(dà)學機械工(gōng)程學院張軍輝、縱懷志(zhì)等 | 基于增材制造和拓撲優化的液壓四足機器人肢腿單元仿生(shēng)輕量化設計

本研究論文聚焦于液壓四足機器人的輕量化設計與運動性能評估。疾速奔跑的獵豹和靈活攀岩的山羊等均表現出卓越的運動能力，如何學習動物(wù)的運動機理，輔助人類在非結構化環境中(zhōng)開(kāi)展作業成爲研究熱點。四足機器人應運而生(shēng)，依靠其離(lí)散的落足點，進而可适應多種地形，被廣泛應用于地形勘探、城市作戰、物(wù)資(zī)運輸等領域。其中(zhōng)，液壓四足機器人憑借其出色的大(dà)負載搬運能力，在諸多場合備受重視。肢腿單元作爲機器人基本的運動單元，直接決定機器人的動态性能。受獵豹等生(shēng)物(wù)的骨骼肌肉系統的啓發，本研究設計了一(yī)款高度集成、輕量化的伺服液壓執行器，利用金屬增材制造技術，實現集成多元件接口和内嵌流道的缸筒設計。針對活塞杆直接出力、異形結構難以開(kāi)展輕量化設計的難題，創新提出混合晶格概念，将混合晶格結構填充在活塞杆中(zhōng)部，用定制的晶格結構替換更大(dà)的中(zhōng)空區域，實現性能定制。利用變密度懲罰法對大(dà)、小(xiǎo)腿結構件進行拓撲優化，去(qù)除應力較小(xiǎo)區域的冗餘材料。優化後的肢腿單元質量降低了24.5%，優化後的肢腿單元表現出更好的動态性能：随着運動頻(pín)率的增加，呈現出色的軌迹跟蹤效果。本研究爲液壓足式機器人的輕量化設計和輕量化後的動态性能量化評價提供參考。

Research Article: Microarrow sensor array with enhanced skin adhesion for transdermal
continuous monitoring of glucose and reactive oxygen species

Xinshuo Huang, Baoming Liang, Shantao Zheng, Feifei Wu, Mengyi He, Shuang Huang, Jingbo Yang, Qiangqiang Ouyang, Fanmao Liu, Jing Liu, Hui-jiuan Chen & Xi Xie

DOI: 10.1007/s42242-023-00246-2 Downloaded: 163 Clicked: 148 Cited: 0 Commented: 0(p.14-30) <Full Text>

Chinese summary <2> 中(zhōng)山大(dà)學謝曦等 | 具有皮膚黏附性能的微箭頭傳感陣列，用于實現活體(tǐ)皮下(xià)葡萄糖與活性氧的連續同步監測

本研究論文圍繞葡萄糖檢測應用中(zhōng)微環境活性物(wù)質幹擾、檢測電極對皮膚組織貼附性不足等難題，通過激光微細加工(gōng)技術設計并制備了帶有箭頭結構的微針電極。通過對貴金屬保護層、電化學酶傳感層與高分(fēn)子限制層的修飾方法進行改進，分(fēn)别開(kāi)發了面向葡萄糖與活性氧檢測應用的箭頭微針傳感電極，實現了對不同濃度的葡萄糖和H2O2高靈敏度、寬響應範圍與良好重現性的特異性響應。基于降維加工(gōng)集成技術開(kāi)發了基于箭頭微針的動态血糖/活性氧同步傳感三維陣列（MASA），并驗證箭頭微針結構對組織粘附性與活體(tǐ)傳感穩定性的提升。所設計的微箭頭結構基于機械連鎖作用與活體(tǐ)組織間的穩固連接，避免了化學粘合劑的潛在炎症反應，以提高傳感器件與皮膚間信号通路的穩定性。進一(yī)步在活體(tǐ)動物(wù)上驗證所開(kāi)發器件的對活體(tǐ)皮下(xià)血糖和H2O2濃度的同步、連續監測性能，并基于H2O2檢測結果輔助判定組織液中(zhōng)的炎症發生(shēng)程度，評估葡萄糖檢測結果受微環境活性物(wù)質幹擾水平。最後，本論文設計并開(kāi)發了一(yī)套可穿戴式的嵌入式電路，将微針傳感陣列集成爲箭頭微針動态血糖/活性氧同步傳感系統。文章的工(gōng)作有利于解決活體(tǐ)檢測中(zhōng)易受内源電活性物(wù)質幹擾以及與皮膚組織的貼附性弱的問題，有望爲糖尿病患者血糖波動的持續穩定監測提供輔助工(gōng)具。

Research Article: A novel integrated microfluidic chip for on-demand electrostatic
droplet charging and sorting

Jinhui Yao, Chunhua He, Jianxin Wang, Canfeng Yang, Ye Jiang, Zhiyong Liu, Guanglan Liao & Tielin Shi

DOI: 10.1007/s42242-023-00257-z Downloaded: 143 Clicked: 129 Cited: 0 Commented: 0(p.31-42) <Full Text>

Chinese summary <1> 華中(zhōng)科技大(dà)學機械科學與工(gōng)程學院廖廣蘭教授等 | 一(yī)種用于液滴按需充電與分(fēn)選的新型集成微流控芯片

本研究論文聚焦于按需靜電液滴充電與分(fēn)選的微流控芯片研究。按需液滴分(fēn)選技術被廣泛應用于對單個細胞進行高效操作和全基因組分(fēn)析。然而，目前用于液滴分(fēn)選的微流控芯片仍然存在分(fēn)選速度低、樣本損失和準備過程耗時耗力等問題。本研究展示了一(yī)種新型微流控芯片的開(kāi)發過程，芯片集液滴生(shēng)成、按需靜電液滴充電和高通量分(fēn)選于一(yī)體(tǐ)，充電電極是一(yī)根埋在微通道噴嘴上方的細銅絲，偏轉電極是微通道中(zhōng)的 PBS 緩沖液，大(dà)大(dà)簡化了芯片的結構和制備工(gōng)藝。芯片能進行高頻(pín)液滴生(shēng)成和分(fēn)選，液滴生(shēng)成頻(pín)率達 11.757 kHz，芯片在液滴生(shēng)成的同時，通過靜電感應完成選擇性充電過程，按需充電的微液滴可在三維偏轉電場中(zhōng)任意移動到特定的出口通道。液滴偏轉的通量因此顯著提高。此外(wài)，本研究還提出了一(yī)種充電信号實時匹配的充電策略，通過實時監測液滴産生(shēng)的頻(pín)率，并将其反饋到充電信号中(zhōng)，從而将液滴偏轉或收集的準确率從 97.49% 提高到 99.38%。本研究的工(gōng)作爲按需液滴分(fēn)選提供了一(yī)種新的策略，在細胞分(fēn)選和單細胞分(fēn)析等生(shēng)物(wù)醫學領域應用廣泛。

Research Article: Transfer film effects induced by 3D-printed polyether-ether-ketone
with excellent tribological properties for joint prosthesis

Yang Li, Jibao Zheng, Changning Sun & Dichen Li

DOI: 10.1007/s42242-023-00258-y Downloaded: 155 Clicked: 157 Cited: 0 Commented: 0(p.43-56) <Full Text>

Chinese summary <2> 西安交通大(dà)學機械工(gōng)程學院李滌塵教授團隊｜3D打印方向對聚醚醚酮人工(gōng)關節材料的生(shēng)物(wù)摩擦學性能影響

本研究論文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉積成型過程中(zhōng)打印方向對其生(shēng)物(wù)摩擦學性能的影響規律研究。自然關節複雜(zá)的組織解剖結構和多樣的力學環境使其易受創傷、疾病等因素影響，人工(gōng)關節假體(tǐ)可以替代缺損部位，爲患者消除疼痛和重建運動功能。PEEK在體(tǐ)内除了具有良好的生(shēng)物(wù)相容性和穩定的理化性能，還具有匹配骨組織的力學強度和優異的耐摩擦性能，這使其成爲新一(yī)代聚合物(wù)人工(gōng)關節材料。3D打印爲個性化人工(gōng)關節假體(tǐ)提供了制備技術的支持，同時成型原理也決定了打印方向是影響其摩擦學性能的重要因素之一(yī)。本研究通過熔融沉積成型制備了具有不同打印方向的PEEK銷，和超高分(fēn)子量聚乙烯（UHMWPE）盤組成摩擦副，在25%小(xiǎo)牛血清潤滑液中(zhōng)通過銷盤實驗研究摩擦學性能。通過磨損後的表面形貌和物(wù)相分(fēn)析，發現了UHMWPE盤産生(shēng)的磨屑轉移到PEEK表面，形成牢固的轉移膜。分(fēn)析了轉移膜的數量、尺寸與打印方向之間的關系，揭示了相近的材料特性、階梯狀的表面紋理和穩定的應力作用對轉移膜形成的協同作用。在此基礎上，以膝關節假體(tǐ)爲例，提出了一(yī)種股骨單髁假體(tǐ)打印方向的分(fēn)區設計路徑：外(wài)層設計爲同心圓路徑，中(zhōng)間層設計爲垂直線路徑，内層設計爲多孔路徑，實現了耐摩擦、力學和骨融合性能的多功能設計。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦學性能之間的映射關系，并爲關節假體(tǐ)的多功能性設計提出了一(yī)種新的打印策略。

Research Article: Constructing a biofunctionalized 3D-printed gelatin/sodium
alginate/chitosan tri-polymer complex scaffold with improvised
biological and mechanical properties for bone-tissue engineering

Amit Kumar Singh, Krishna Pramanik & Amit Biswas

DOI: 10.1007/s42242-023-00249-z Downloaded: 180 Clicked: 186 Cited: 0 Commented: 0(p.57-73) <Full Text>

Chinese summary <1> 印度Pramanik等 | 用于骨組織工(gōng)程修複的具有改進生(shēng)物(wù)學和力學性能的生(shēng)物(wù)功能化三維打印明膠海藻酸鈉殼聚糖三聚物(wù)複合支架

本研究論文聚焦用于骨組織工(gōng)程修複的具有改進生(shēng)物(wù)學和力學性能的生(shēng)物(wù)功能化三維打印明膠/海藻酸鈉/殼聚糖三聚物(wù)複合支架。海藻酸鈉（SA）/殼聚糖（CH）聚電解質支架是組織工(gōng)程應用的合适基質。本研究旨在進一(yī)步改善該類型支架的拉伸強度和生(shēng)物(wù)特性，使其成爲骨組織再生(shēng)的潛在模闆。作者實驗添加了0% -15%（體(tǐ)積分(fēn)數）明膠（GE），這是一(yī)種以蛋白(bái)質爲基礎的生(shēng)物(wù)聚合物(wù)，已知(zhī)具有促進細胞黏附、增殖和分(fēn)化的作用。得到的三元聚合物(wù)複合體(tǐ)被用作生(shēng)物(wù)墨水，通過三維（3D）打印制造SA / CH / GE基質。掃描電子顯微鏡的形态學研究顯示了所有結構的微纖維多孔結構，其孔徑範圍爲383-419微米。X射線衍射和傅立葉變換紅外(wài)光譜分(fēn)析顯示了支架的非晶性以及聚合物(wù)功能團之間的強電荷作用，從而形成改善機械性能和結構穩定性的聚電解質複合物(wù)。支架表現出合适的降解速率、控制溶脹和親水特性，有利于骨組織工(gōng)程。由于增加了明膠，SA / CH支架的剛度提高，拉伸強度從（386±15）kPa提高到（693±15）kPa。增強的蛋白(bái)吸附和體(tǐ)外(wài)生(shēng)物(wù)活性（形成磷酸鈣層）确認了SA / CH / GE支架在組織再生(shēng)過程中(zhōng)提供更高的細胞黏附和骨樣環境的能力。體(tǐ)外(wài)生(shēng)物(wù)評估包括MTT法、共聚焦顯微鏡分(fēn)析和茜素紅S酸化驗顯示了細胞黏附、細胞存活和細胞增殖的顯著增加，進一(yī)步提高了支架表面的生(shēng)物(wù)礦化。此外(wài)，含有15%明膠的SA / CH / GE被标記爲SA / CH / GE15，表現出優異的性能，證明了其在骨組織工(gōng)程中(zhōng)的潛力。

Research Article: Customized scafolds for large bone defects using 3D‑printed modular
blocks from 2D‑medical images

Anil A. Acar, Evangelos Daskalakis, Paulo Bartolo, Andrew Weightman, Glen Cooper, Gordon Blunn & Bahattin Koc

DOI: 10.1007/s42242-023-00259-x Downloaded: 123 Clicked: 180 Cited: 0 Commented: 0(p.74-87) <Full Text>

Chinese summary <1> 薩班哲大(dà)學Bahattin Koc等 | 使用2D醫學影像進行3D打印模塊化定制大(dà)骨缺損支架

本研究論文聚焦使用2D醫學影像進行3D打印模塊化定制大(dà)骨缺損支架。增材制造技術（AM）革新了組織工(gōng)程應用中(zhōng)用于患者個體(tǐ)化、三維複雜(zá)多孔結構支架的設計和制造。先進的圖像獲取技術、圖像處理和計算機輔助設計方法使得精确設計和增材制造解剖學符合患者個體(tǐ)情況的植入物(wù)和支架成爲可能。然而這些複雜(zá)的技術可能需要花費(fèi)大(dà)量時間、人力和金錢。此外(wài)，在緊急治療時，對于創傷患者可能沒有迅速獲得必要的成像和制造設備。本研究提出了一(yī)種新穎的設計和增材制造方法，用于開(kāi)發模塊化和可定制的支架方塊，以适應患者的骨缺損區域。這些模塊化支架方塊可以根據二維（2D）醫學影像，快速組合成任何患者個體(tǐ)化支架，也能解決外(wài)科醫生(shēng)無法使用3D打印機或無法等待手術過程中(zhōng)冗長的3D成像、建模和3D打印的問題。該方法首先通過開(kāi)發骨表面建模算法，根據2D醫學影像測量重建患者骨骼模型，無需昂貴的3D成像或分(fēn)割。該算法可生(shēng)成患者個體(tǐ)化和平均骨模型。此外(wài)，還開(kāi)發了一(yī)種仿生(shēng)連續路徑規劃方法，用于根據2D數據或圖像直接制造具有所需生(shēng)物(wù)力學特性的多孔支架方塊。作者應用該算法，設計的支架方塊使用基于擠出的AM工(gōng)藝進行了3D打印。同時提供指導和說明，以協助外(wài)科醫生(shēng)組裝支架方塊，實現患者個體(tǐ)化大(dà)骨缺損的自我(wǒ)修複。

Research Article: Semi-implantable device based on multiplexed microfilament
electrode cluster for continuous monitoring of physiological ions

Shuang Huang, Shantao Zheng, Mengyi He, Chuanjie Yao, Xinshuo Huang, Zhengjie Liu, Qiangqiang Ouyang, Jing Liu, Feifei Wu, Hang Gao, Xi Xie & Hui-jiuan Chen

DOI: 10.1007/s42242-023-00262-2 Downloaded: 116 Clicked: 165 Cited: 0 Commented: 0(p.88-103) <Full Text>

Chinese summary <2> 中(zhōng)山大(dà)學電子與信息工(gōng)程學院陳惠琄謝曦等 | 半植入式多功能微絲電極簇連續監測生(shēng)理離(lí)子

本論文聚焦于具有多種生(shēng)理離(lí)子檢測功能的傳感器制備和應用研究。現代醫學越來越依賴具有檢測和分(fēn)析生(shēng)化物(wù)指标功能的先進傳感器。基于電位計檢測法的半植入式離(lí)子傳感器是監測生(shēng)物(wù)體(tǐ)内生(shēng)理離(lí)子的一(yī)個有效平台。考慮到器件的生(shēng)物(wù)相容性，用于多參數傳感的微型半植入式電極對電極尺寸有更多限制。本研究報道了一(yī)種半植入式傳感系統，由多功能微絲電極簇（MMEC）和印刷電路闆組成，用于實時監測組織内的 K+、Ca2+ 和 Na+ 濃度。其中(zhōng)，體(tǐ)外(wài)研究證明了電極表面積對電位傳感機制的影響較小(xiǎo)，這表明使用微小(xiǎo)的纖維狀電極進行電位傳感是可行的。此外(wài)，本研究驗證了MMEC 裝置具有廣泛的線性響應（K+：2-32 mmol/L；Ca2+：0.5-4 mmol/L；Na+：10-160 mmol/L）、較高的靈敏度（約 20-45 mV/decade）、較好的長期穩定性（>2 周）以及良好的特異性選擇性（>80%）等特性。最終，大(dà)鼠皮下(xià)實驗及腦部實驗結果表明，MMEC 系統在體(tǐ)内不同應用場景中(zhōng)仍能表現出良好的多離(lí)子監測性能。這項工(gōng)作爲持續實時監測體(tǐ)内不同環境中(zhōng)的離(lí)子波動提供了一(yī)個平台，對開(kāi)發監測人體(tǐ)健康的智能傳感器具有重要意義。