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: 209 Clicked: 275 Cited: 0 Commented: 0(p.1-13) <Full Text>

Chinese summary <4> 【封面文章】浙江大学机械工程学院张军辉、纵怀志等 | 基于增材制造和拓扑优化的液压四足机器人肢腿单元仿生轻量化设计

本研究论文聚焦于液压四足机器人的轻量化设计与运动性能评估。疾速奔跑的猎豹和灵活攀岩的山羊等均表现出卓越的运动能力，如何学习动物的运动机理，辅助人类在非结构化环境中开展作业成为研究热点。四足机器人应运而生，依靠其离散的落足点，进而可适应多种地形，被广泛应用于地形勘探、城市作战、物资运输等领域。其中，液压四足机器人凭借其出色的大负载搬运能力，在诸多场合备受重视。肢腿单元作为机器人基本的运动单元，直接决定机器人的动态性能。受猎豹等生物的骨骼肌肉系统的启发，本研究设计了一款高度集成、轻量化的伺服液压执行器，利用金属增材制造技术，实现集成多元件接口和内嵌流道的缸筒设计。针对活塞杆直接出力、异形结构难以开展轻量化设计的难题，创新提出混合晶格概念，将混合晶格结构填充在活塞杆中部，用定制的晶格结构替换更大的中空区域，实现性能定制。利用变密度惩罚法对大、小腿结构件进行拓扑优化，去除应力较小区域的冗余材料。优化后的肢腿单元质量降低了24.5%，优化后的肢腿单元表现出更好的动态性能：随着运动频率的增加，呈现出色的轨迹跟踪效果。本研究为液压足式机器人的轻量化设计和轻量化后的动态性能量化评价提供参考。

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: 259 Clicked: 224 Cited: 0 Commented: 0(p.14-30) <Full Text>

Chinese summary <2> 中山大学谢曦等 | 具有皮肤黏附性能的微箭头传感阵列，用于实现活体皮下葡萄糖与活性氧的连续同步监测

本研究论文围绕葡萄糖检测应用中微环境活性物质干扰、检测电极对皮肤组织贴附性不足等难题，通过激光微细加工技术设计并制备了带有箭头结构的微针电极。通过对贵金属保护层、电化学酶传感层与高分子限制层的修饰方法进行改进，分别开发了面向葡萄糖与活性氧检测应用的箭头微针传感电极，实现了对不同浓度的葡萄糖和H2O2高灵敏度、宽响应范围与良好重现性的特异性响应。基于降维加工集成技术开发了基于箭头微针的动态血糖/活性氧同步传感三维阵列（MASA），并验证箭头微针结构对组织粘附性与活体传感稳定性的提升。所设计的微箭头结构基于机械连锁作用与活体组织间的稳固连接，避免了化学粘合剂的潜在炎症反应，以提高传感器件与皮肤间信号通路的稳定性。进一步在活体动物上验证所开发器件的对活体皮下血糖和H2O2浓度的同步、连续监测性能，并基于H2O2检测结果辅助判定组织液中的炎症发生程度，评估葡萄糖检测结果受微环境活性物质干扰水平。最后，本论文设计并开发了一套可穿戴式的嵌入式电路，将微针传感阵列集成为箭头微针动态血糖/活性氧同步传感系统。文章的工作有利于解决活体检测中易受内源电活性物质干扰以及与皮肤组织的贴附性弱的问题，有望为糖尿病患者血糖波动的持续稳定监测提供辅助工具。

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: 242 Clicked: 205 Cited: 0 Commented: 0(p.31-42) <Full Text>

Chinese summary <1> 华中科技大学机械科学与工程学院廖广兰教授等 | 一种用于液滴按需充电与分选的新型集成微流控芯片

本研究论文聚焦于按需静电液滴充电与分选的微流控芯片研究。按需液滴分选技术被广泛应用于对单个细胞进行高效操作和全基因组分析。然而，目前用于液滴分选的微流控芯片仍然存在分选速度低、样本损失和准备过程耗时耗力等问题。本研究展示了一种新型微流控芯片的开发过程，芯片集液滴生成、按需静电液滴充电和高通量分选于一体，充电电极是一根埋在微通道喷嘴上方的细铜丝，偏转电极是微通道中的 PBS 缓冲液，大大简化了芯片的结构和制备工艺。芯片能进行高频液滴生成和分选，液滴生成频率达 11.757 kHz，芯片在液滴生成的同时，通过静电感应完成选择性充电过程，按需充电的微液滴可在三维偏转电场中任意移动到特定的出口通道。液滴偏转的通量因此显著提高。此外，本研究还提出了一种充电信号实时匹配的充电策略，通过实时监测液滴产生的频率，并将其反馈到充电信号中，从而将液滴偏转或收集的准确率从 97.49% 提高到 99.38%。本研究的工作为按需液滴分选提供了一种新的策略，在细胞分选和单细胞分析等生物医学领域应用广泛。

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: 236 Clicked: 239 Cited: 0 Commented: 0(p.43-56) <Full Text>

Chinese summary <2> 西安交通大学机械工程学院李涤尘教授团队｜3D打印方向对聚醚醚酮人工关节材料的生物摩擦学性能影响

本研究论文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉积成型过程中打印方向对其生物摩擦学性能的影响规律研究。自然关节复杂的组织解剖结构和多样的力学环境使其易受创伤、疾病等因素影响，人工关节假体可以替代缺损部位，为患者消除疼痛和重建运动功能。PEEK在体内除了具有良好的生物相容性和稳定的理化性能，还具有匹配骨组织的力学强度和优异的耐摩擦性能，这使其成为新一代聚合物人工关节材料。3D打印为个性化人工关节假体提供了制备技术的支持，同时成型原理也决定了打印方向是影响其摩擦学性能的重要因素之一。本研究通过熔融沉积成型制备了具有不同打印方向的PEEK销，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盘组成摩擦副，在25%小牛血清润滑液中通过销盘实验研究摩擦学性能。通过磨损后的表面形貌和物相分析，发现了UHMWPE盘产生的磨屑转移到PEEK表面，形成牢固的转移膜。分析了转移膜的数量、尺寸与打印方向之间的关系，揭示了相近的材料特性、阶梯状的表面纹理和稳定的应力作用对转移膜形成的协同作用。在此基础上，以膝关节假体为例，提出了一种股骨单髁假体打印方向的分区设计路径：外层设计为同心圆路径，中间层设计为垂直线路径，内层设计为多孔路径，实现了耐摩擦、力学和骨融合性能的多功能设计。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦学性能之间的映射关系，并为关节假体的多功能性设计提出了一种新的打印策略。

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: 308 Clicked: 309 Cited: 0 Commented: 0(p.57-73) <Full Text>

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: 198 Clicked: 285 Cited: 0 Commented: 0(p.74-87) <Full Text>

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: 181 Clicked: 240 Cited: 0 Commented: 0(p.88-103) <Full Text>