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Bio-Design and Manufacturing

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

   Cover:  <550>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Research Articles

A novel reusable anti-COVID-19 transparent face respirator with optimized airflow

Hussain Alenezi, Muhammet Emin Cam, Mohan Edirisinghe

DOI: 10.1007/s42242-020-00097-1 Downloaded: 2396 Clicked: 1991 Cited: 0 Commented: 0(p.1-9) <Full Text>

Chinese summary   <7>  伦敦大学学院Mohan Edirisinghe院士等 | 具有优化气流的新型可重复使用的抗COVID-19的透明面罩

本研究论文报道了一种被设计成可重复使用的呼吸器的新型口罩,此设计带有小型、高效的一次性过滤器。与传统设计相比,呼吸器材料要求降低了75%,并允许重复清洗或灭菌。此设计采用新颖的空气过滤路径,通过方波设计增加过滤气流,降低病毒颗粒吸入的概率。嘴前面的区域是隔离的,而空气从左右两侧的过滤器进入口罩。该口罩采用透明环氧树脂制作框架,使交流时可以看到嘴形,其边缘包含一个硅胶密封,防止过滤器旁通。这种口罩采用硅胶模具制造,无需用电,更适用于在发展中国家制造。本研究利用计算流体力学数值研究和ANSYS Fluent软件模拟经过过滤器的气流流动过程,优化过滤器空气路径几何结构,并验证口罩设计符合真实的人体需求。呼吸周期表示为瞬态函数,并选择N95过滤器规格作为多孔介质。本文提出的创新设计使空气流线速度呈现局部高速,并且流量达到1.2×10−3 kg · s−1,比一般呼吸需求高出20%,过滤器流道中产生的高离心力可以压迫病毒粒子并使其在过滤器壁面上被捕获。

In vitro calcification studies on bioprosthetic and decellularized heart valves under quasi-physiological flow conditions

Cristian C. D’Alessandro, Andreas Dimopoulos, Sofia Andriopoulou, Gerasimos A. T. Messaris, Sotirios Korossis, Petros Koutsoukos & Dimosthenis Mavrilas

DOI: 10.1007/s42242-020-00110-7 Downloaded: 1538 Clicked: 1916 Cited: 0 Commented: 0(p.10-21) <Full Text>

Chinese summary   <7>  希腊Dimosthenis Mavrilas等 | 准生理流动条件下人工生物脱细胞心脏瓣膜的体外钙化研究

本研究论文聚焦准生理流动条件下人工生物脱细胞心脏瓣膜的体外钙化研究。由于由血浆与组织接触形成的磷酸钙沉积物引起的结构改变,市面上可买到的生物心脏瓣膜假体的使用寿命受到了限制。此研究的目的是提出一种比较方法,用于研究体外生物假体和组织工程支架上磷酸钙沉积物的形成以及机械力对组织矿化的影响。基于前期对恒定过饱和下生物矿化的研究,开发了模拟动态血流和生理压力条件的循环回路。该系统适用于评估脱细胞(DCV)和戊二醛固定(GAV)的猪主动脉瓣的钙化潜力。结果表明,与GAV相比,DCV钙化率更高,但在统计学上无显著差异。这种差异归因于组织表面修饰和脱细胞过程中残留的细胞碎片。通过扫描电子显微镜结合化学微分析电子分散光谱对沉积20小时后的固体进行形态分析,确定形成的固体为磷酸八钙(Ca8(PO4)6H2·5H2O,OCP)。OCP晶体优先沉积在测试组织的高机械应力区域。此外,GAV组织在经过36小时后出现明显的跨瓣压力梯度增加,钙沉积分布与在外植假体中发现的钙沉积分布相似。总之,本文提出的体外循环模型可作为一种有价值的预筛查方法,用于研究在生理机械负荷下人工生物组织工程瓣膜的钙化过程。

3D kinematic mandible model to design mandibular advancement devices for the treatment of obstructive sleep apnea

M. García, J. A. Cabrera, A. Bataller, S. Postigo, J. J. Castillo

DOI: 10.1007/s42242-020-00101-8 Downloaded: 1905 Clicked: 1725 Cited: 0 Commented: 0(p.22-32) <Full Text>

Chinese summary   <7>  西班牙马拉加大学Cabrera等 | 用于设计下颌前移装置以治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的3D运动型下颌骨模型

本研究论文聚焦用于设计下颌前移装置以治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的3D运动型下颌骨模型。下颌前移装置(MAD)是用于阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的治疗方法之一。MAD尝试将下颌骨保持在前移位置,以在睡眠时保持上呼吸道打开。为了实现此目标,目前大多数MAD将张口限制在几毫米之内。为了设计允许更大孔径范围的设备,研究患者颌骨的运动行为至关重要。为此,此研究开发了可再现颌骨运动的3D多体模型。在这里,通过视觉系统和反射标记确定下门牙的运动。此外还对颞下颌关节的运动进行建模。接着使用凸轮从动机构设计和打印该设备。这样,根据颌骨的面相以及专家规定的张开和前进运动,可以为每个患者优化设计和定位凸轮轮廓和从动件。

Effects of bionic mechanical stimulation on the properties of engineered cartilage tissue

Zhiyan Hao, Sen Wang, Jichang Nie, Dichen Li, Ao Fang, Jianfeng Kang, Chaozong Liu, Ling Wang

DOI: 10.1007/s42242-020-00090-8 Downloaded: 1590 Clicked: 2167 Cited: 0 Commented: 0(p.33-43) <Full Text>

Chinese summary   <7>  西安交通大学王玲、郝志岩等 | 仿生力学刺激对工程化软骨组织性能的影响

本研究论文探究仿生力学刺激对工程化软骨组织性能的影响。组织工程软骨(TEC)是治疗关节软骨缺损的潜在方法。然而,TEC的性能与天然软骨的性能之间存在很大差距。研究表明,压缩载荷等机械刺激可以帮助调节TEC的基质分泌,从而影响其生物力学性能。目前,由组织液相诱导的剪切力对软骨的影响研究尚不清晰,特别是增加压缩载荷的复合载荷在组织再生中的重要作用。因此,本研究的目的是定量研究复合加载机制对体外TEC的影响。设计了一个定制的生物模拟装置,将压缩、摩擦和剪切的耦合运动结合起来,将新鲜分离的兔软骨细胞包裹在水凝胶中,在生物刺激器内进行复合机械刺激培养,并检测组织活性、基质含量和机械性能。根据不同的机械刺激组合(应变:5%~20%,间隔5%;频率:0.25 Hz、0.5 Hz、1 Hz),研究其对组织行为的影响。结果表明,在组织生物活性和合成细胞外基质方面,更大的应变和更高的频率更有利于软骨细胞生存。此外,与单一负荷运动相比复合机械刺激更有利于基质分泌。然而,虽然复合机械刺激对工程化软骨组织基质的分泌有促进作用,但组织随着培养时间的增加依然会出现降解。

3D printing of PEEK–cHAp scaffold for medical bone implant

Bankole I. Oladapo, S. Abolfazl Zahedi, Sikiru O. Ismail, Francis T. Omigbodun, Oluwole K. Bowoto, Mattew A. Olawumi, Musa A. Muhammad

DOI: 10.1007/s42242-020-00098-0 Downloaded: 2377 Clicked: 2637 Cited: 0 Commented: 0(p.44-59) <Full Text>

Chinese summary   <7>  英国德蒙福特大学Oladapo等 | 用于医用骨植入物的PEEK–cHAp支架的3D打印

本研究论文聚焦PEEK复合材料在成骨修复方面的应用。PEEK材料植入物的主要缺点是其表面呈生物惰性,这将导致不理想的细胞反应且植入物与周围软组织之间粘附不良,从而阻碍骨骼正常生长。在本研究中,聚醚醚酮(PEEK)与羟基磷灰石钙(cHAp)结合形成PEEK-cHAp生物复合材料,并使用熔融沉积成型(FDM)方法和表面处理策略在PEEK晶格支架的细丝上构建微孔结构。此外,在FDM打印的PEEK-cHAp生物复合材料样品上对其纳米结构和形态学测试进行了建模和分析,并通过扫描电子显微镜(SEM)评估其机械强度和热强度以及体外细胞毒性。研究中采用创新技术构建和研究了具有可控孔径和分布的PEEK的多孔纳米结构,以促进PEEK-cHAp的细胞渗透和生物组织整合性能。体内试验表明,经表面处理的微孔可促进新再生的软组织的粘附,从而在cHAp和PEEK之间形成紧密的植入物-组织界面结合。细胞培养的结果表明,与单独的PEEK相比,PEEK-cHAp表现出更好的细胞增殖附着扩散和更高的碱性磷酸酶活性。将PEEK-cHAp复合材料浸入细胞培养基(DMEM)的模拟体液中14天后,形成了磷灰石岛,并以更多或更长周期持续生长。在微结构处理方面,PEEK-cHAp样品的结晶度也优于传统PEEK,且具有显著差异。PEEK-cHAp生物复合材料的体外试验结果显示出其生物降解能力和性能适用于骨植入物应用。此研究在生物医学工程领域具有潜在的应用前景,可以强化FDM和由PEEK-cHAp生物复合材料制造的医用植入物的概念知识。

Fabrication and characterization of 3D printed biocomposite scaffolds based on PCL and zirconia nanoparticles

Qifan Wang, Zhiyong Ma, Ying Wang, Linna Zhong, Wenjia Xie

DOI: 10.1007/s42242-020-00095-3 Downloaded: 1726 Clicked: 2518 Cited: 0 Commented: 0(p.60-71) <Full Text>

Chinese summary   <7>  湖州师范学院马志勇等 | 基于PCL和氧化锆纳米粒子的3D打印生物复合支架的制备和表征

本研究论文聚焦用于骨修复的生物复合支架的研制工作。三维打印的聚合物支架在修复骨缺损方面有较好的应用前景。其中,聚己内酯(PCL)支架由于其良好的加工性能和可控的降解速率而被广泛研究。然而,作为修复骨缺损的替代移植物,PCL材料的亲水性很差,这不利于细胞粘附和生长。此外,PCL材料较差的机械性能无法满足修复骨缺损所需的强度。本文通过熔融混合工艺将纳米二氧化锆(ZrO2)粉末嵌入PCL材料中,并通过3D打印构建规则的网格支架。纳米二氧化锆粉末的包埋提高了复合支架的亲水性和吸水率,有助于细胞的粘附、增殖和生长,且有利于营养物质的交换。因此,PCL / ZrO2复合支架在体外显示出更好的生物活性。同时,PCL / ZrO2复合材料体系显著改善了支架的机械性能。与纯PCL支架相比,杨氏模量提高了约40%,抗压强度提高了约50%。此外,成骨分化结果表明,与纯PCL组相比,PCL / ZrO2复合支架组具有更好的ALP活性和更有效的骨矿化作用。我们相信3D打印的PCL / ZrO2复合支架在修复骨缺损方面具有一定的应用前景。

Bilayer nicorandil-loaded small-diameter vascular grafts improve endothelial cell function via PI3K/AKT/eNOS pathway

Zheng Xing, Chen Zhao, Chunchen Zhang, Yubo Fan, Haifeng Liu

DOI: 10.1007/s42242-020-00107-2 Downloaded: 1824 Clicked: 2570 Cited: 0 Commented: 0(p.72-86) <Full Text>

Chinese summary   <7>  北航刘海峰等 | 负载尼可地尔的聚己内酯/磺酸化丝素蛋白双层小口径人工血管的构建及对内皮功能的影响

本研究论文聚焦负载尼可地尔的聚己内酯/磺酸化丝素蛋白双层小口径人工血管的构建及对内皮功能的影响。冠状动脉旁路移植术是目前临床上治疗心血管疾病(CVD)的常规治疗手段之一,但目前临床上常用的小口径人工血管在移植后往往面临着难以自发内皮化和急性血栓形成的问题,最终导致人工血管再狭窄,远期通畅率不理想。因此,开发兼具抗凝活性与促内皮化活性的小口径人工血管来提高患者旁路移植后的远期通畅率具有重要意义。针对这一问题,本研究基于仿生策略使用聚己内酯和磺酸化丝素蛋白两种生物材料开发出了一种负载尼可地尔(NIC)的双层小口径人工血管(BLVG)。结果表明,NIC的加入在提高了BLVG内表面亲水性的同时没有影响其整体的力学性能。负载NIC的BLVG具有多种生物活性,有利于人工血管在移植后的自发内皮化,抑制急性血栓形成。而发挥这些活性的潜在生物学机制可能与BLVG能够激活内皮细胞中PI3K/Akt/eNOS信号通路有关。


(论文的第一作者为北京航空航天大学博士研究生邢正;清华大学博士研究生肇晨也对本研究做出了重要贡献;北京航空航天大学生物与医学工程学院刘海峰教授为该文章的通讯作者)

Customized reconstructive prosthesis design based on topological optimization to treat severe proximal tibia defect

Aobo Zhang, Hao Chen, Yang Liu, Naichao Wu, Bingpeng Chen, Xue Zhao, Qing Han. Jincheng Wang

DOI: 10.1007/s42242-020-00102-7 Downloaded: 2176 Clicked: 2018 Cited: 0 Commented: 0(p.87-99) <Full Text>

Chinese summary   <7>  吉林大学第二医院王金成、韩青、张奥博等 | 基于拓扑优化技术的3D打印胫骨重建假体治疗胫骨近端严重骨缺损

本研究论文聚焦于胫骨近端严重骨缺损患者的关节重建假体的设计与验证。目前对于此类患者,临床上通常选择铰链膝关节假体进行重建,但术后假体生存率并不理想。本研究提出利用拓扑优化和网格化技术设计一种新型的个体化定制胫骨重建假体,从而提高假体的生物力学性能,为临床假体设计提供新的思路。本研究通过三维重建技术完成胫骨非均质仿真建模;通过步态分析获取完整步态周期内胫骨平台受力依据;通过拓扑优化技术及梯度化网格设计完成定制化假体的结构优化;通过有限元分析技术完成假体与骨系统的生物力学分析;通过3D金属打印完成假体的制造,并利用生物力学实验完成生物力学的验证。根据研究结果显示,优化后假体减重77%,假体柄远端应力峰值下降39.1%,柄远端微动降低49.7%,胫骨应力及应变能峰值分别增大39.6%和61.5%,说明优化后假体与骨之间的应力屏蔽效应显著降低,远期发生假体松动、假体周围骨折及假体柄远端疼痛的风险被有效避免,假体的生物力学性能得到优化。

Gelatin-based hydrogels combined with electrical stimulation to modulate neonatal rat cardiomyocyte beating and promote maturation

Feng Zhang, Kaiyun Qu, Xiaopei Li, Chaoming Liu, Lazarus S. Ortiz, Kaihong Wu, Xiaowei Wang, Ningping Huang

DOI: 10.1007/s42242-020-00100-9 Downloaded: 1925 Clicked: 2488 Cited: 0 Commented: 0(p.100-110) <Full Text>

Chinese summary   <7>  东南大学黄宁平等 | 基于明胶的水凝胶结合电刺激调节新生大鼠心肌细胞的跳动并促进成熟

本研究论文聚焦心血管疾病的治疗。心血管疾病具有高发病率、高死亡率的特点,因此,对该病的有效治疗显得尤为重要,包括通过心脏组织工程进行疾病建模和药物开发。但是,这些应用的预测能力目前受到心肌细胞不成熟状态的限制。本研究开发了通过生物相容性交联剂京尼平化学交联的明胶水凝胶,将其作为细胞培养支架,使得新生大鼠心肌细胞接种到水凝胶上后2天内出现同步跳动。此外,我们采用电刺激方法促进水凝胶上培养的心肌细胞的成熟。研究结果表明,电刺激改善了肌节的组织、间隙连接的建立、钙处理能力和起搏信号的传播,从而提高了心肌细胞跳动速度和对外部起搏的反应性。上述系统可用于促进组织工程心肌的生理功能成熟,在心脏组织工程和药物筛选方面具有广阔的应用前景。

Digital biofabrication to realize the potentials of plant roots for product design

Jiwei Zhou, Bahareh Barati, Jun Wu, Diana Scherer, Elvin Karana

DOI: 10.1007/s42242-020-00088-2 Downloaded: 1587 Clicked: 1842 Cited: 0 Commented: 0(p.111-122) <Full Text>

Chinese summary   <7>  代尔夫特理工大学Jiwei Zhou等 | 数字生物制造:实现植物根系在产品设计中的潜力

本研究论文聚焦以植物根系为材料的产品设计与生物制造。生物设计带来的技术、经济以及明显的生态效益,使其成为二十一世纪产品制造的新工业范式。本文介绍的工作研究了植物根系作为生物设计材料在自支撑3D结构制造中的运用。其中生物和数字设计的材料交互作用提供了结构稳定性。采用以材料驱动的设计方法,我们展示了系统化的植物根部修补活动,以更好地了解和预测它们的响应行为。这帮助我们确定了关键的设计参数,并推进了植物根系结合离散多孔结构的独特潜力。我们用混合3D对象说明了植物根系的这种结合潜力,对于该对象,植物根系将600个经过计算设计、优化和制造的生物塑料珠连接起来,并制造了一个矮凳。

Review

Fluid-driven artificial muscles: bio-design, manufacturing, sensing, control, and applications

Chao Zhang, Pingan Zhu, Yangqiao Lin, Wei Tang, Zhongdong Jiao, Huayong Yang, Jun Zou

DOI: 10.1007/s42242-020-00099-z Downloaded: 3412 Clicked: 2272 Cited: 0 Commented: 0(p.123-145) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙江大学邹俊等 | 流体驱动的人工肌肉:生物设计、制造、传感、控制和应用

本综述论文从仿生设计和先进制造等方面对流体驱动人工肌肉进行总结,并讨论目前面临的挑战和未来发展趋势。我们长期以来一直致力于开发可以替代生物肌肉来完成各种任务的人工肌肉。柔性材料和3D打印技术的最新进展极大地推动了人工肌肉技术的发展。人们已经开发了由不同的外部刺激驱动的各种基于柔性材料的人工肌肉,包括压力、电压、光、磁、温度等。其中,流体驱动的人工肌肉(FAM)可以将流体(气体或液体)的动力转换成柔性材料的力和位移输出。由于它们简单、安全性高、驱动力大、能效高且成本低,是工业机器人、医疗器械和人工辅助装置中最广泛使用的驱动方法。本文介绍了FAM的生物设计、制造、传感、控制和应用,包括传统的气动/液压人工肌肉和由功能流体驱动的几种创新型人工肌肉。此外,文中还讨论了FAM的挑战和未来发展方向。

Opinion

Applications of bioinspired approaches and challenges in medical devices

Huawei Chen, Yi Zhang, Liwen Zhang, Xilun Ding, Deyuan Zhang

DOI: 10.1007/s42242-020-00103-6 Downloaded: 1539 Clicked: 1185 Cited: 0 Commented: 0(p.146-148) <Full Text>

Chinese summary   <7>  北航陈华伟等 | 仿生技术在医疗器械中的应用与挑战

本观点论文聚焦仿生技术在医疗器械中的应用与挑战。发展高性能医疗设备及精准医疗产业逐渐成为我国国家战略。尤其近年来,随着医疗器械精准化发展需求日益迫切,对医疗器械、医用材料提出了相容性、抗血栓、防粘防滑等更多功能需求。如何按需设计制造出“精准化”的医用材料、生机界面及医疗系统变得尤为重要。本文综述了仿生技术在医疗器械表面功能化的应用现状与发展挑战,展望了仿生科学技术在医疗器械上的应用潜力。医疗器械包括植介入、手术器械与装备、生化检测等,涵盖面宽,其性能或功能需求多且不尽相同,比如生物材料的生理相容性、医用表面的防菌防雾、手术器械的低组织损伤等。


实际上,医疗器械操控对象为“生物”,植介入物替代对象也是“生物”,因此仿生技术势必能成为解决医疗器械精准化的可行途径。以功能化仿生表面应用于医疗器械为例,探讨了如何从众多生物表面中选取仿生表面,总结了疏水/湿润滑仿生防粘表面、强湿粘附仿生表面以及细胞组织诱导仿生结构等技术发展现状。展望了仿生科学技术在精准医疗器械上进一步拓宽应用,迫切需要发展:①自然生物认知;②生/机界面作用与功能机理;③面向多功能需求的生物材料/界面设计原理;④多材料、多级微纳结构简易制造技术;⑤服役周期内的原位测试评价技术等。

Technical Note

Facile 3D cell culture protocol based on photocurable hydrogels

Mingjun Xie, Yating Zheng, Qing Gao, Yong He

DOI: 10.1007/s42242-020-00096-2 Downloaded: 1700 Clicked: 1466 Cited: 0 Commented: 0(p.149-153) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙江大学贺永等 | 光固化生物3D打印教程之高精度水凝胶支架制造

本Technical Note聚焦光固化生物3D打印之高精度水凝胶支架制造。投影式光固化生物打印(Projection-based 3D bioprinting, PBP)具有精度高、速度快、自支撑等优势,近年来在生物制造领域有越来越多PBP的成功应用案例。然而,完全理解PBP的原理需要光学、高分子、工程、生物学等综合学科的背景知识,初学者熟练掌握PBP的流程也需要经历长时间的试错与经验积累。降低PBP的入门使用门槛,可使更多研究者能从这项技术中受益。


本文给出了一个标准的水凝胶支架打印流程,我们将PBP生物支架打印分为“材料配制”、“支架打印”、“后处理”与“细胞接种”四个工序,给出了标准化的操作方法,整理了很多常见的问题、技巧及背后机制。通过这篇教程,希望能够帮助PBP初学者,降低非工程学科背景使用者在工艺测试上的时间和成本,将PBP作为得力工具加速其研究。

Editorial

Industry news: 2020 high-impact publications in the BDM area

Liang Ma

DOI: 10.1007/s42242-020-00123-2 Downloaded: 1130 Clicked: 1420 Cited: 0 Commented: 0(p.154-156) <Full Text>

Chinese summary   <8>  浙江大学马梁 | BDM行业新闻:2020年生物设计与制造领域的高影响力文章

尽管2020年全球正遭受着新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情的影响,但生物设计与制造(BDM)的发展并未停止。我们挑选了2020年中在这个蓬勃发展的领域里最令人振奋的进展,从包括肾脏在内的不同功能性微型类器官的三维(3D)生物打印,到无穷宇宙中3D组织的制造,也有领域内出现的包括无创体内3D生物打印、活体3D生物打印、单细胞打印和快速成型等显著技术性突破,还有包括人血脑屏障平台、2型糖尿病(T2D)的无创治疗和海绵体重建等重大生物医学应用,进一步造福了医疗发展和我们的整体生活质量。

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