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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:  <547>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Research Articles

3D human nonalcoholic hepatic steatosis and fibrosis models

Sushila Maharjan, Diana Bonilla, Princy Sindurakar, Hongbin Li, Wanlu Li, Sergio Duarte, Ali Zarrinpar & Y. Shrike Zhang

DOI: 10.1007/s42242-020-00121-4 Downloaded: 1967 Clicked: 2236 Cited: 0 Commented: 0(p.157-170) <Full Text>

Chinese summary   <7>  哈佛大学张宇等 | 三维人类非酒精性肝脂肪变性和纤维化模型

本研究论文提出了一个简单而强大的三维人肝组织模型,以模拟脂肪变性和纤维化状况,并为药物测试和机制研究提供体外模型。使用具有六边形单元掩模的光刻生物制造方法,将肝细胞(包括人肝细胞系 (HepG2-C3A) 和人肝星状细胞系 (LX-2) )嵌入甲基丙烯酰化明胶水凝胶中。肝脏脂肪变性是由游离脂肪酸的超生理浓度引起的;转化生长因子-β1 诱导肝纤维化。通过Oil Red O和BODIPY染色证实了脂肪变性的诱导,并被丰加霉素和贝替胆酸抑制。通过I型胶原和α平滑肌肌动蛋白免疫染色证实纤维化的诱导,并被雷帕霉素和姜黄素处理抑制。在类似的设置中使用原代人肝细胞进一步验证该模型。这些构建体提供了一个可行的、生物学相关的和更高通量的肝脂肪变性和纤维化模型,并可能促进疾病机制的研究和肝脏导向药物的测试。

A biomimetic basement membrane consisted of hybrid aligned nanofibers and microfibers with immobilized collagen IV and laminin for rapid endothelialization

Chenglong Yu, Guoping Guan, Stefanie Glas, Lu Wang, Zhutong Li & Lih-Sheng Turng

DOI: 10.1007/s42242-020-00111-6 Downloaded: 1940 Clicked: 1805 Cited: 0 Commented: 0(p.171-189) <Full Text>

Chinese summary   <7>  东华大学王璐、威斯康星大学麦迪逊分校Lih-Sheng Turng等 | 构建仿生血管基底膜促进血管移植物原位内皮化

本研究论文聚焦IV型胶原/层粘连蛋白修饰取向微/纳混合纤维构建仿生血管基底膜。远期通畅率不佳是限制小口径血管移植物临床应用转化的主要因素,促进其内表面的快速原位内皮化是解决此问题的理想方式。体内,内皮层粘附于血管基底膜。鉴于此,本文基于天然血管基底膜的拓扑结构和化学组成构建了一种取向微/纳混合纤维膜,并接枝引入IV型胶原和层粘连蛋白制备仿生血管基底膜,以期促进原位内皮化。微/纳混合纤维膜兼具取向纳米纤维和取向微米纤维对HUVECs的接触引导作用,其中直径为73 nm的取向PCL纳米纤维与天然血管基底膜的纤维尺度相近,直径为2.7 μm的取向PCL微米纤维的存在则可以有效引导HUVECs取向伸长。同时,IV型胶原/层粘连蛋白共接枝引入可以提升HUVECs的粘附、增殖、活性、一氧化氮和前列环素释放能力等。另一方面,此仿生血管基底膜整体结构松散,孔隙较大,允许HUVECs渗入迁移,这是跨壁毛细血管化发生的前提。综上所述,本文设计制备的仿生血管基底膜具有促进原位内皮化的潜力,可以作为小口径血管移植物的内层。

In vivo study of conductive 3D printed PCL/MWCNTs scaffolds with electrical stimulation for bone tissue engineering

Edney P. e Silva, Boyang Huang, Júlia V. Helaehil, Paulo R. L. Nalesso, Leonardo Bagne, Maraiara A. de Oliveira, Gabriela C. C. Albiazetti, Ali Aldalbahi, Mohamed El-Newehy, Milton Santamaria-Jr, Fernanda A. S. Mendonça, Paulo Bártolo & Guilherme F. Caetano

DOI: 10.1007/s42242-020-00116-1 Downloaded: 1807 Clicked: 2456 Cited: 0 Commented: 0(p.190-202) <Full Text>

Chinese summary   <7>  本刊编委Paulo Bártolo团队 | 3D打印的导电PCL/MWCNTs支架与电刺激用于骨组织工程的体内研究

严重的骨缺损被认为是重建骨手术的主要临床挑战之一。3D 打印导电支架和外源性电刺激 (ES) 的组合是骨组织修复的潜在有利方法。在这项研究中,使用基于挤出的增材制造方法生产了由具有生物相容性和可生物降解的聚己内酯 (PCL) 和多壁碳纳米管 (MWCNT) 制成的 3D 导电支架,以治疗大鼠的大颅骨缺损。组织学结果表明,使用 PCL/MWCNTs 支架和 ES 有助于在骨缺损内形成更厚和增加的骨组织。使用高浓度的多壁碳纳米管 (3 wt%) 和 ES 也显著促进了血管生成和矿化。此外,支架有利于抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)阳性细胞的形成,而添加MWCNTs看似能够抑制破骨细胞的形成,但对破骨细胞功能(核因子κβ配体(RANKL)和骨保护素(OPG)的表达)的影响有限。ES 的使用促进破骨细胞生成和 RANKL 表达,在骨重塑过程中显示出主导作用。这些结果表明,3D 打印导电 PCL/MWCNTs 支架和 ES 的组合是治疗关键骨缺损的有前途的策略,并为建立使用导电支架和 ES 进行骨组织工程的最佳方案提供了线索。

A novel bio-active microsphere for meniscus regeneration via inducing cell migration and chondrocyte differentiation

Hongyao Xu, He Huang, Xiangjie Zou, Pengcheng Xia, Warren A. L. S. Foon & Jinwen Wang

DOI: 10.1007/s42242-020-00118-z Downloaded: 1673 Clicked: 2042 Cited: 0 Commented: 0(p.203-221) <Full Text>

Chinese summary   <7>  南医大附属南京医院徐鸿尧等|可诱导细胞迁移和软骨细胞分化的新型生物活性微球用于半月板再生修复

本研究论文聚焦半月板损伤修复这一临床上的常见病。目前对于半月板损伤后的修复,成形切除术和半月板缝合是临床上的常用方法。然而,由于半月板的自愈能力较差,尤其在广阔白区乏血管供应,当前治疗方案并不十分理想。随着组织工程和干细胞的研究发展,内源性干细胞的招募是损伤半月板愈合的一个新的选择。本研究设计了一种新的生物活性微球,通过协同发挥完全还原高迁移率族蛋白1(frHMGB1)和Kartogenin (KGN)的促进内源性干细胞的激活、迁移和分化能力,加速损伤半月板组织的再生。以往研究已显示KGN和frHMGB1在干细胞的激活、迁移和分化过程中发挥良好的促进作用。因此,为了促进半月板的再生,我们拟将frHMGB1和KGN与海藻酸凝胶结合开发一种新型生物活性微球,缓慢释放高浓度的frHMGB1和KGN,以激活BMSCs促进细胞的增殖、迁移、分化。体内外研究结果表明,该含生物活性微球的实验效果达到预期。该研究为半月板损伤的治疗提供了新的思路,具有一定的临床应用前景。

Experimental and numerical characterization of 3D-printed scaffolds under monotonic compression with the aid of micro-CT volume reconstruction

R. Baptista, M. F. C. Pereira, A. Maurício, D. Rechena, V. Infante & M. Guedes

DOI: 10.1007/s42242-020-00122-3 Downloaded: 1885 Clicked: 2089 Cited: 0 Commented: 0(p.222-242) <Full Text>

Chinese summary   <7>  葡萄牙Ricardo Baptista等 | 三维打印支架在单调压缩下的实验和数值表征与微CT体积重建

即使因受伤或疾病而受损,骨组织也具有非凡的再生能力。当这个过程受到大尺寸骨缺损的限制时,组织工程可用来恢复、维持或改善组织功能。支架是支撑结构,设计用于植入受损部位,支撑机械载荷并保护再生骨组织。本文对具有三种不同孔隙率值和两种不同几何形状的3D打印PLA支架进行了实验和数值表征。微CT分析表明,熔丝制造可用于生产具有所需孔隙率和100%互连孔隙的支架。在单调压缩下,随着孔隙率从70%减少到30%,支架表观压缩模量从89 MPa增加到918 MPa,而屈服应力从2.9 MPa增加到27.5 MPa。压缩后,对齐支架的开放孔隙率降低了8%,交错支架的开放孔隙率降低了14%,而对齐的低孔隙率支架获得了支架的表面积与体积比最大的降低(7.48-4.55 mm-1)。微CT 体积重建能够构建和分析支架简化的数值模型。在预测支架的表观压缩模量时发现了极好的一致性。总的来说,可以得出结论,3D 打印是一种可行的骨小梁置换支架制造技术。

Reduced graphene oxide-grafted bovine serum albumin/bredigite nanocomposites with high mechanical properties and excellent osteogenic bioactivity for bone tissue engineering

Esfandyar Askari, Mohammad Rasouli, Seyedeh F. Darghiasi, Seyed M. Naghib, Yasser Zare & Kyong Y. Rhee

DOI: 10.1007/s42242-020-00113-4 Downloaded: 1746 Clicked: 2027 Cited: 0 Commented: 0(p.243-257) <Full Text>

Chinese summary   <7>  庆熙大学Rhee等 | 用于骨组织工程的具有高机械性能和优异成骨生物活性的还原氧化石墨烯接枝牛血清白蛋白/白硅钙石纳米复合材料

本研究论文聚焦用于骨组织工程的具有高机械性能和优异成骨生物活性的还原氧化石墨烯接枝牛血清白蛋白/白硅钙石纳米复合材料。支架的优化以提供合适的基质并加速再生过程对于骨组织工程至关重要。然而,较差的机械和生物学特性仍然是必须解决的主要挑战。例如,尽管白硅钙石(Br)在骨组织工程中显示出巨大的应用潜力,但它更换时很容易失效。在此研究中,这些挑战通过用已被牛血清白蛋白 (BSA) 还原的氧化石墨烯 (rGO) 纳米片增强Br基质来解决,以提高机械性能和生物性能。BSA对氧化石墨烯的还原提高了纳米片的水稳定性,并在 BSA-rGO 纳米片和Br颗粒之间提供了静电相互作用。BSA-rGO 纳米片的高导热性通过将热量传递到片剂的核心来降低 Br 的孔隙率。此外,将 BSA-rGO 纳米片添加到 Br 基质中可增强 G-292 细胞在片剂表面的粘附。这些发现表明,由 BSA-rGO 增强的 Br 组成的片剂在骨组织工程中具有令人鼓舞的应用潜力。

Reviews

Biofabrication of aligned structures that guide cell orientation and applications in tissue engineering

Kejie Lu, Ying Qian, Jiaxing Gong, Ziyu Zhu, Jun Yin, Liang Ma, Mengfei Yu & Huiming Wang

DOI: 10.1007/s42242-020-00104-5 Downloaded: 2685 Clicked: 1980 Cited: 0 Commented: 0(p.258-277) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙江大学俞梦飞、王慧明等 | 定向结构的生物制造及其在组织工程中的应用

本综述论文聚焦定向结构的生物制造及其在组织工程中的应用。各种组织中细胞的定向排列在维持特定功能方面起着重要作用。为了诱导这种排列,理想的支架应该模拟天然组织的特征和形态。引导细胞定向的排列结构已被应用于促进组织再生和修复。本文回顾了各种定向结构的制造方法,包括定向静电纺丝纳米纤维、定向多孔或通道结构、微图案及其组合,以及它们在神经、骨骼肌、肌腱和管状牙本质再生中的应用,并讨论了定向结构在组织工程中的未来用途。

Next-generation surgical meshes for drug delivery and tissue engineering applications: materials, design and emerging manufacturing technologies

Francesca Corduas, Dimitrios A. Lamprou & Elena Mancuso

DOI: 10.1007/s42242-020-00108-1 Downloaded: 2502 Clicked: 2157 Cited: 0 Commented: 0(p.278-310) <Full Text>

Chinese summary   <7>  英国阿尔斯特大学Mancuso等 | 用于药物输送和组织工程应用的下一代外科网片:材料、设计和新兴制造技术

本综述论文聚焦用于药物输送和组织工程应用的外科手术网片相关研究,包括其材料、设计和制造方法。外科网片已被用于治疗各种病理状况,包括疝气、盆底功能障碍、牙周引导骨再生、伤口愈合以及乳房切除术后的乳房整形手术。这些常见病状影响着全世界大部分人口;从医学和美学的角度来看,有效和强化的治疗对于改善患者的生活条件至关重要。目前,不可吸收的合成聚合物是用于制造疝气、盆底功能障碍和引导骨再生网状植入物的最广泛使用的一类生物材料,其中聚丙烯和聚四氟乙烯是最常见的。生物假体,例如外科移植物,主要用于乳房整形手术和伤口愈合应用。尽管网状植入物在治疗这些病症方面具有优势,但仍存在许多弊端,主要与术后并发症的产生有关,其中感染最为常见。开发一种可以与天然组织适当结合、促进其愈合和建设性重塑的网状物,是外科网状植入物领域现阶段的主要研究目标。为此,人们正在研究采用包括可吸收和天然聚合物在内的新生物材料,使用药物和先进制造技术,如 3D 打印和静电纺丝,以解决前面提到的挑战并改善未来临床实践的结果。本文回顾了使用外科网片相关的主要优点和缺点,表征每个临床程序的主要问题以及新制造技术和最新监管政策方面的未来方向。

3D printed microfluidic devices: a review focused on four fundamental manufacturing approaches and implications on the field of healthcare

Viraj Mehta & Subha N. Rath

DOI: 10.1007/s42242-020-00112-5 Downloaded: 1885 Clicked: 2238 Cited: 0 Commented: 0(p.311-343) <Full Text>

Chinese summary   <7>  印度Rath等 | 3D打印微流控设备:聚焦四种基本制造方法及其对医疗保健领域的影响综述

在过去的几年中,3D打印克服了传统软光刻技术的局限,已经成为制造微流控装置的一个极具前景的替代方案。基于此,BDM 2021年第2期发表了来自印度Rath等的综述论文《3D打印微流控设备:聚焦四种基本制造方法及其对医疗保健领域的影响综述》。文中介绍了利用3D打印构建微流控装置的四种基本制造方法,以及面临的关键挑战和最新进展。通过讨论3D打印芯片器官的现状和前景,概述了3D打印微流技术在医疗保健各个领域的影响,展望了该领域未来的研究方向。


——评自微流控专家南京大学赵远锦教授

3D printing of tissue engineering scaffolds: a focus on vascular regeneration

Pengju Wang, Yazhou Sun, Xiaoquan Shi, Huixing Shen, Haohao Ning & Haitao Liu

DOI: 10.1007/s42242-020-00109-0 Downloaded: 1587 Clicked: 2367 Cited: 0 Commented: 0(p.344-378) <Full Text>

Chinese summary   <7>  哈工大刘海涛等 | 组织工程支架的3D打印:聚焦血管再生领域

本综述论文概述了3D打印支架技术在血管再生领域的研究进展。利用3D打印支架技术进行血管再生的主题一直是研究热点且极具重要性,然而现有报道中关于这方面研究的系统性总结相对缺乏。本文从5个方面进行了阐述:1)面向血管再生的组织工程支架的意义和重要性;2)血管支架的三维建模方法;3)血管支架中常用的3D打印材料;4)血管支架制造中常见的3D打印技术;5)血管支架的临床转化。此外,鉴于传统制造技术的优势,论文还讨论了血管支架制备中常涉及的其它技术,包括铸造、静电纺丝及乐高积木式构建。

Synthesis methods of functionalized nanoparticles: a review

Niyou Wang, Jerry Ying Hsi Fuh, S. Thameem Dheen & A. Senthil Kumar

DOI: 10.1007/s42242-020-00106-3 Downloaded: 1709 Clicked: 1316 Cited: 0 Commented: 0(p.379-404) <Full Text>

Chinese summary   <7>  新加坡国立大学A. Senthil Kumar等 | 功能化纳米粒子的合成方法

本综述论文聚焦功能化纳米粒子的合成方法。随着纳米技术的最新进展,纳米粒子在各个方面提供了比传统材料更丰富的智能功能。与较大的颗粒相比,纳米粒子具有独特的特性和优异的能力,如低毒性、化学稳定性、表面功能性和生物相容性。这些有利的特性使它们能够广泛应用于生物医学、能源、IT和工业等领域。为了满足日益增长的纳米粒子的应用需求,现有的纳米粒子合成方法需要根据不同的应用需求进行改进,以进一步发挥其用途。全面了解合成参数与纳米粒子性质之间的关系可以帮助我们更好地对它们进行微调,使其具有设计的特性和最小的毒性。本综述讨论功能化纳米粒子的常用合成方法,以及进一步开发各种合成方法的未来方向和挑战。

3D printing biomimetic materials and structures for biomedical applications

Yizhen Zhu, Dylan Joralmon, Weitong Shan, Yiyu Chen, Jiahui Rong, Hanyu Zhao, Siqi Xiao & Xiangjia Li

DOI: 10.1007/s42242-020-00117-0 Downloaded: 2059 Clicked: 2420 Cited: 0 Commented: 0(p.405-428) <Full Text>

Chinese summary   <7>  亚利桑那州立大学Xiangjia Li等 | 用于生物医学应用的3D打印仿生材料和结构

经过数百万年的演化,大自然以独特的材料和结构创造了具有压倒性性能的生物组织,这为我们开发下一代生物医学设备提供了宝贵的灵感。作为一项富有前景的新兴技术,3D打印能够高精度地灵活地制造出具有多尺度、多材料和多功能特性的三维(3D)仿生材料及结构。随着 3D 打印技术的蓬勃发展,我们得以利用各种先进的仿生材料和结构克服生物医学设备制造过程中的挑战。本文概述了生物医学工程领域中前沿仿生材料和增材制造技术的最新进展。其中包括植入物、片上实验室、药物、微血管网络以及人工器官和组织等生物医学应用。本文还进一步讨论了仿生增材制造在生物医学应用中所面临的技术挑战和局限性,并着重探讨了在开发生物医学设备过程中应用仿生 3D 打印技术的解决方案和未来技术发展趋势。

Letter

Synthetic morphogenesis: why reverse engineering should be prioritized

V. N. Nikolenko, M. Yu Nikolayev & M. Y. Sinelnikov

DOI: 10.1007/s42242-021-00127-6 Downloaded: 1043 Clicked: 1157 Cited: 0 Commented: 0(p.429-431) <Full Text>

Chinese summary   <7>  俄罗斯M. Y. Sinelnikov等 | 人造形态发生:为什么应优先考虑逆向工程

本读者来信阐述了在人造形态发生中逆向工程的作用。本文从自组织系统、基因调控的影响、人造启动子、分子工程、先进支架递送系统、合成生物学等诸多方面对逆向工程思维的重要性进行阐述。目标在于寻求特定基因表达图谱的绘制,来形成标准化的组织和器官的生物制造理论与方法。信件全文如下。

Laboratory Report

Biofabrication (3D Bioprinting) Laboratory at Sichuan University

Changchun Zhou, Kefeng Wang, Yong Sun, Qiguang Wang, Qing Jiang, Jie Liang, Xuan Pei, Boqing Zhang, Yujiang Fan & Xingdong Zhang

DOI: 10.1007/s42242-020-00115-2 Downloaded: 1425 Clicked: 1336 Cited: 0 Commented: 0(p.432-439) <Full Text>

Chinese summary   <7>  3D打印实验室 | 四川大学生物制造(3D生物打印)研究实验平台

“器官移植”虽然让人们闻之色变,但却是无数具有严重组织病变患者的救命稻草。高额花销、免疫排斥、来源受限等问题使得“器官移植”在临床应用上并不能广泛开展。随着生物医学工程技术的发展,生物材料已经从原来简单的“替换”和“修复”,发展到了“组织再生”的全新阶段。实现人工材料诱导组织或器官再生将是未来发展的重要方向,也是人类面对重大疾病时,由被动变主动的重要一步。目前,生物3D打印技术能够根据患者量体裁衣,其发展肩负着“个性化制备人体组织或器官修复体”的美好愿景。


从2012年开始,四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心汇聚材料、制造、生物医学等优势力量组建成立了以张兴栋院士为学术带头人,樊渝江、周长春、王科锋等人领衔的生物3D打印科研团队,聚焦“个性化”,致力于组织再生的研究,到现在已经发展成为全国领先的综合性生物制造研究平台。团队聚焦张兴栋院士倡导的“组织诱导性生物材料”,致力解决个性化组织再生的难题,为人民生命健康做贡献。四川大学生物3D打印实验室以创新研究为基础,成果转化为目标,培养学生全面发展,坚持走“产学研一体化”的道路。目前实验室在生物陶瓷、金属、高分子聚合物及其复合材料的3D打印研究及应用方面取得了一些进展。

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