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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:  <1211>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Research Articles

Adenosine-treated bioprinted muscle constructs prolong cell survival and improve tissue formation

Dongxu Ke, Adam M. Jorgensen, Sang J. Lee, James J. Yoo & Sean V. Murphy

DOI: 10.1007/s42242-021-00128-5 Downloaded: 2154 Clicked: 2999 Cited: 0 Commented: 0(p.441-451) <Full Text>

Chinese summary   <7>  维克森林大学医学院Sean V. Murphy等 | 腺苷处理的生物打印肌肉组织以延长细胞存活并改善组织形成

本研究论文聚焦腺苷的使用以提高3D打印肌肉组织的生物活性保持问题。维持细胞活性对于生物制造人体大小的组织和确保其在移植后成功存活和功能至关重要。腺苷是一种嘌呤核苷,具有抑制细胞代谢的功能,之前已被提出作为在缺氧下延长细胞活力的方法。在这项研究中,我们优化了腺苷的剂量浓度,并将其掺入生物打印的组织结构中,以保持体外的长期细胞活力。我们的结果表明,含有6、7或8 mM腺苷的肌肉细胞(C2C12)在缺氧条件下(0.1% O2)保持高细胞活力20天,而没有腺苷处理的细胞在11天后显示100%细胞死亡。在缺氧条件下20天后,用腺苷处理的肌肉细胞在转移到正常毒性条件下时增殖和分化。从这些腺苷浓度中,选择6 mM作为优化的腺苷浓度进行进一步研究,实验显示其在提高细胞活力方面具有最有效的结果。含有腺苷(6 mM)的生物打印肌肉构建体在缺氧条件下保持高细胞活力11天,而没有腺苷的对照构建体没有活细胞。对于体内验证,与没有腺苷的打印结果相比,将腺苷加入植入小鼠背皮下的打印组织显示出肌肉组织的增强形成,具有最小的中央坏死和凋亡。这些积极的体外和体内结果表明,使用腺苷是预防生物打印组织缺氧导致坏死的有效方法,从而使其具有进一步进行临床转化的可能性。

A bifunctional bone scaffold combines osteogenesis and antibacterial activity via in situ grown hydroxyapatite and silver nanoparticles

Youwen Yang, Yun Cheng, Fang Deng, Lida Shen, Zhenyu Zhao, Shuping Peng & Cijun Shuai

DOI: 10.1007/s42242-021-00130-x Downloaded: 2388 Clicked: 3395 Cited: 0 Commented: 0(p.452-468) <Full Text>

Chinese summary   <7>  中南大学帅词俊等 | 羟基磷灰石和银纳米粒子原位生长合成具有促成骨与抗菌能力的双功能支架

本研究论文关注成骨修复相关研究。羟基磷灰石(HA)纳米粒子和银纳米粒子有望在生物高分子支架上实现理想的生物活性和抗菌性能。然而,HA/银与生物高分子之间理化学差异较大,因此界面粘附性很差。在这项研究中,左旋聚乳酸(PLLA)粉末首先在碱性环境中用具有良好生物活性的聚多巴胺(PDA)进行表面修饰。随后,HA和银纳米粒子原位生长在PLLA粉末的PDA涂层上,然后使用选择性激光烧结工艺制备多孔骨支架。结果表明,HA和银纳米粒子均匀分布在高分子基体中,使其机械性能得到增强。模拟体液测试表明,原位生长的HA使支架展现出优异的生物活性。体外测试证实,骨支架具有与人类脐带间充质干细胞良好的生物相容性,以及对革兰阴性大肠杆菌的强抗菌活性。此外,体内测试表明,骨支架可以促进新骨生成,植入8周后新骨面积比例为71.8%,且没有炎症发生。

Electrospun fiber membrane with asymmetric NO release for the differential regulation of cell growth

Shengyu Chen, Fan Jia, Luying Zhao, Fuyu Qiu, Shaohua Jiang, Jian Ji & Guosheng Fu

DOI: 10.1007/s42242-021-00131-w Downloaded: 2222 Clicked: 3175 Cited: 0 Commented: 0(p.469-478) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙江大学计剑等 | 具有差异性调控多细胞行为的非对称载药双层电纺纤维膜用于人工血管的构建

本研究论文聚焦差异调节细胞行为的材料制备方法用于人工血管构建。心血管疾病(CVD)较高发病率导致临床上对人工血管有着巨大的需求。人工血管在植入后,通常连用抗增殖药物以实现抗血栓等目的。然而,常规药物的非选择性细胞抑制作用往往阻碍血管重建过程,增加潜在并发症的风险。针对这一问题,本课题通过静电纺丝技术构建了非对称载药双层膜。双层膜一侧加载N-乙酰-S-亚硝基-D-青霉胺,从而有效释放NO。由于NO的扩散距离短,它对膜的另一侧的影响可以忽略不计,从而可以选择性地调节两侧的不同细胞。释放的NO增强了血管内皮细胞(EC)对平滑肌细胞(SMC)的竞争性生长。而在没有NO载药的一侧,SMC则能够成长为多层结构。这一不对称性能够诱导生成类似天然血管的结构,在保留了EC的正常功能的同时,不引起强烈的炎症反应。这种差异调节细胞行为的材料制备方法,有望为人工血管构建等应用提供新的启示。

Novel assisted cough system based on simulating cough airflow dynamics

Shuai Ren, Jinglong Niu, Maolin Cai, Liming Hao, Yan Shi, Weiqing Xu & Zujin Luo

DOI: 10.1007/s42242-021-00132-9 Downloaded: 2163 Clicked: 3018 Cited: 0 Commented: 0(p.479-489) <Full Text>

Chinese summary   <7>  北航石岩、任帅等 | 基于模拟人体咳嗽气流动态特性的新型辅助咳嗽系统

本研究论文聚焦基于模拟人体咳嗽气流动态特性的新型辅助咳嗽系统。咳嗽是人体呼吸系统的一种保护性反射,能够有效防止呼吸系统的感染并清除气道内的分泌物。咳嗽气流的动态特性已通过各种数学和实验的方式进行了分析研究。本文对42名志愿者的咳嗽气流进行采集和分析,通过无因次化方法,提出一种基于高斯分段函数的咳嗽气流辨识模型,辨识精度能够超过90%。此外,本文提出一种基于气动流量伺服系统的辅助咳嗽系统。咳嗽峰值流量对气道分泌物的清除具有重要作用,该系统采用真空环境来增加咳嗽峰值流量,另外采用反馈控制方式避免呼吸道塌陷。在没有外界辅助(如人工按压、病人配合以及其他手段)情况下,该系统产生的模拟咳嗽峰值流量能够达到5 L/s。最后,本文设计了该系统的反步控制方法,使系统能够产生模拟人体自然咳嗽的模拟咳嗽气流。该辅助咳嗽系统为危重症新型冠状病毒肺炎患者和其他肺部疾病患者的气道分泌物清除开创了广泛的实际应用机会。

Peptides-based vaccine against SARS-nCoV-2 antigenic fragmented synthetic epitopes recognized by T cell and ?-cell initiation of specific antibodies to fight the infection

Department of Medical Genetics, Faculty of Medicine, Umm
Al-Qura University, P.O. Box 715, Mecca 21955, Kingdom of
Saudi Arabia; Science and Technology Unit, Umm Al-Qura University, P.O.
Box 715, Mecca 21955, Kingdom of Saudi Arabia; The Regional Laboratory, Molecular Diagnostics Unit,
Department of Molecular Biology, Ministry of Health
(MOH), P.O. Box 6251, Mecca, Kingdom of Saudi Arabia; Department of Pathology and Lab Medicine, University of
Ottawa, 451 Smyth Road, Ottawa, ON K1H 8M5, Canada

DOI: 10.1007/s42242-020-00114-3 Downloaded: 2756 Clicked: 3775 Cited: 0 Commented: 0(p.490-505) <Full Text>

Chinese summary   <7>  沙特麦加大学Abduljaleel等 | 基于多肽的新冠疫苗,抗原片段化合成表位可被T细胞和β细胞识别来产生特异性抗感染抗体

本研究论文聚焦基于多肽的新冠疫苗开发。世界卫生组织宣布,快速传播的冠状病毒将成为全球大流行。FDA还没有批准人类新型冠状病毒疫苗。在这里,我们开发了一种基于多肽的疫苗,并使用分子动力学模拟高通量筛选寻找T细胞和β细胞识别的表位来产生特异性抗体来对抗新冠病毒。我们构建了约12个P抗原表位多肽,以开发更有效的疫苗并鉴定特异性抗体。这些表位多肽选择性地呈现了两种人类pMHC I类和II类等位基因的最佳抗原呈递分数,因此具有很强的结合亲和力。来自新冠不同蛋白的所有抗原被各自附着的特异的1–7 L连接子适配从而被用来构建广泛的单一外周多肽疫苗。我们可以预计此疫苗具有高度抗原性以及最低的过敏反应。这些令人兴奋的结果表明亲和多肽是一种很有前景有望通过启动T细胞和β细胞来对抗新冠的特异性抗原表位多肽疫苗。对于这类基于多肽疫苗的体外研究是很必要的。这种疫苗的效力需要进一步的临床试验来验证。

Reviews

Recent advances in slippery liquid-infused surfaces with unique properties inspired by nature

Xi Zeng, Zhiguang Guo & Weimin Liu

DOI: 10.1007/s42242-021-00133-8 Downloaded: 3210 Clicked: 3211 Cited: 0 Commented: 0(p.506-525) <Full Text>

Chinese summary   <7>  湖北大学郭志光等 | 仿生灌油超滑表面的最新进展

本综述论文聚焦注液表面的最新研究进展。通过模仿猪笼草捕食机制制备的注液表面具有多种应用前景,并集数种表面性能于一体,如动态响应、防污性、选择性黏附以及光学/机械可调节性等。此外,由于润滑液的引入,表面具有极低的接触角滞后和自修复性能,进一步扩展了其应用范围。目前,注液表面已经广泛应用于航空航天、通信、生物医学以及微流体操控等多种前沿领域。本文介绍了注液表面的理论背景和现阶段的制备方法,包括基底材料和润滑剂的选择。讨论了注液表面的设计参数以及如何应对润滑剂在实际应用中的损耗。除此之外,还分析了注液表面的潜在应用,如防止医疗设备的病原体污染和血液黏附、微小液滴的操控和液体的定向运输等。最后,指出了注液表面在实际应用中存在的缺陷,为往后的发展提供方向。

3D tumor model biofabrication

Xi Zeng, Zhiguang Guo & Weimin Liu

DOI: 10.1007/s42242-021-00134-7 Downloaded: 2447 Clicked: 3101 Cited: 0 Commented: 0(p.526-540) <Full Text>

Chinese summary   <7>  美国宾汉顿大学Kaiming Ye等 | 三维肿瘤模型生物制造

本综述论文聚焦三维肿瘤模型的制造技术。动物模型已被广泛应用于癌症病理学研究和药物研发。然而,这些模型未能很好地反映复杂的人类肿瘤微环境,并且难以在更接近人类的生理条件下进行高通量药物筛选。三维(3D)癌症模型提供了自动化高通量癌症药物发现和肿瘤学的替代方案。本文重点介绍了最近在构建3D肿瘤模型方面的技术创新;这些模型模拟了复杂的人类肿瘤微环境以及患者对治疗的反应。讨论了各种生物制造技术,包括为表征肿瘤进展、转移和对治疗的反应而开发的3D生物打印技术。

Current researches on design and manufacture of biopolymer-based osteochondral biomimetic scaffolds

Yanen Wang, Ying Guo, Qinghua Wei, Xinpei Li, Kang Ji & Kun Zhang

DOI: 10.1007/s42242-020-00119-y Downloaded: 3420 Clicked: 3125 Cited: 0 Commented: 0(p.541-567) <Full Text>

Chinese summary   <7>  西北工业大学汪焰恩等 | 生物聚合物基骨软骨仿生支架的设计与制造研究现状

本综述论文聚焦聚合物基骨软骨支架仿生设计及制造策略。骨软骨组织工程在修复软骨损伤及早期骨关节炎的治疗中具有重要意义。然而,要确保其多层结构的完整性、生理功能和再生能力仍然面临着挑战。本文系统地回顾了不同生物高分子聚合物基骨软骨支架仿生设计和生物增材制造研究现状(包括确保骨软骨支架异质区域结构、梯度界面稳定性等仿生设计方案);讨论了基于Y型微流控、生长因子分层负载、多生物材料共混等生物增材制造技术,及其所制备的骨软骨支架制造策略特点和局限性;介绍了多工艺制造骨软骨组织工程领域的发展及优势,并给出所制备的骨软骨支架性能评估方法和目标。文章也展望了新型生物材料的制备技术及多功能生物增材制造仿生骨软骨的研究趋势。

Engineering biomimetic intestinal topological features in 3D tissue models: retrospects and prospects

Tarun Agarwal, Valentina Onesto, Lallepak Lamboni, Aafreen Ansari, Tapas K. Maiti, Pooyan Makvandi, Massoud Vosough & Guang Yang

DOI: 10.1007/s42242-020-00120-5 Downloaded: 5038 Clicked: 2818 Cited: 0 Commented: 0(p.568-595) <Full Text>

Chinese summary   <7>  印度理工学院Tapas K. Maiti等 | 三维组织模型中的工程仿生肠道拓扑特征:回顾与展望

本综述论文聚焦三维组织模型在肠道仿生中的应用。传统的二维肠道模型无法在体外精确地概括仿生特征,所以不适合各种药代动力学应用,疾病模型的开发以及了解宿主-微生物组相互作用。因此,最近研究人员正在努力重建具有与肠道相关的独特三维(3D)隐窝(用于小肠)或隐窝腔(用于大肠)架构的体外模型。本文综述了该研究领域当前在不同微纳加工技术(光刻、激光熔融和3D生物打印)方面的进展,以及所获得的模型在模仿天然肠组织特征方面的生理相关性。强调了肠细胞(干细胞和分化细胞)与不同的生物物理、生化和机械生物学线索之间的动态相互作用,以及与其他细胞类型和肠道微生物组的相互作用,为该领域的未来发展提供目标。阐述了诱导多能干细胞在肠组织模型背景下的应用前景。最后,讨论了3D模式化肠组织模型临床转化的挑战和前景。

Photosynthetic biomaterials: applications of photosynthesis in algae as oxygenerator in biomedical therapies

Yong Wang, Yanan Xue, Tao Zhang, Qingqing Fang, Mingyuan Jin, Xiaofeng Wang, Zhengcai Wang, Yanyan Hu, Wanyi Zhao, Dong Lou & Wei-Qiang Tan

DOI: 10.1007/s42242-021-00129-4 Downloaded: 2649 Clicked: 3268 Cited: 0 Commented: 0(p.596-611) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙大邵逸夫医院谈伟强、楼栋等 | 光合生物材料:藻类光合作用产氧在生物医学治疗中的应用

本综述论文聚焦藻类的光合作用在生物治疗及组织工程中的应用。对大多数生物来说,分子氧是正常生理代谢所必需的;在人体组织内,局部的缺氧可诱发多种疾病,如心血管疾病、慢性创伤和组织坏死。作为自然界中产生氧气的主要来源,植物的光合作用已被广泛地应用于科学研究以及应用于生产食物、燃料和药品等。近年来,光合作用逐渐被广泛应用于光动力疗法、组织再生、移植和特殊疾病治疗的创新研究。本文总结了光合作用在生物医学研究中的创新应用,并强调了光合作用在相关疾病临床治疗中的前期理论及特殊意义。

pH-sensitive polymeric nanocarriers for antitumor biotherapeutic molecules targeting delivery

Jiayi Qin, Yangbo Zhu, Dongsheng Zheng & Qingwei Zhao

DOI: 10.1007/s42242-020-00105-4 Downloaded: 2492 Clicked: 2897 Cited: 0 Commented: 0(p.612-626) <Full Text>

Chinese summary   <7>  浙大一院赵青威、钦佳怡等 | 用于抗肿瘤药物靶向递送的pH敏感聚合物纳米载体

本综述论文聚焦用于抗肿瘤药物递送的pH敏感聚合物纳米载体。目前临床治疗中抗肿瘤药物存在毒副作用大、靶向性低的问题。针对肿瘤微环境设计的pH敏感聚合物材料可在体内正常生理条件下保持稳定状态,在肿瘤酸性环境(pH约5.0-6.0)中快速降解,实现药物的靶向性释放,从而提高疗效。此类pH敏感聚合物主要包括通过pH敏感键制备的药物大分子复合物及采用化学键合形成的嵌段共聚物用于包载药物,是一种极具潜力的药物靶向递送载体。本综述重点介绍pH敏感聚合物纳米载体组成及应用,系统阐释了聚合物纳米载体通过不同酸敏感键(腙、缩醛、β-硫醚酯等)实现pH敏感靶向性药物释放的机制以及药代动力学的研究。此外,本文进一步综述了特殊给药药物的靶向递送,拓宽了pH敏感聚合物材料在生物医药领域的应用。

Prospects for 3D bioprinting of organoids

Preety Rawal, Dinesh M. Tripathi, Seeram Ramakrishna & Savneet Kaur

DOI: 10.1007/s42242-020-00124-1 Downloaded: 2422 Clicked: 3055 Cited: 0 Commented: 0(p.627-640) <Full Text>

Chinese summary   <7>  印度肝脏与胆道科学研究所Savneet Kaur等 | 3D生物打印类器官的前景

本综述论文聚焦类器官生物制造的发展与应用前景。来自多能或成体组织干细胞的三维(3D)类器官在研究发育和疾病机制方面极具潜力,同时在再生疗法中有很多应用。然而,缺乏精确的结构和大尺寸组织的制造方法,是当前类器官技术遇到的关键局限。最近出现的类器官3D生物打印技术,可以尝试解决其中一些障碍。本综述讨论了3D生物打印与生物墨水和打印方法的使用,并强调了最近在干细胞和类器官生物打印方面取得成功的研究。总结了生物打印类器官的几种血管化策略的使用,这些策略对复杂的组织构建至关重要。为了充分实现类器官在疾病模型构建和再生医学中的转化应用,3D生物打印技术应在这些方面被更好地利用。

Recent advances in chemically defined and tunable hydrogel platforms for organoid culture

Tarun Agarwal, Nehar Celikkin, Marco Costantini, Tapas K. Maiti & Pooyan Makvandi

DOI: 10.1007/s42242-021-00126-7 Downloaded: 2838 Clicked: 3166 Cited: 0 Commented: 0(p.641-674) <Full Text>

Chinese summary   <7>  印度理工学院Tapas K. Maiti等 | 用于类器官培养的化学成分确定且性质可调的水凝胶平台的最新进展

本综述论文聚焦具有可调特性和明确化学成分的水凝胶,并讨论其在类器官构建中的应用。类器官培养技术的最新发展使得在体外条件下密切概括不同组织的内在特征成为可能。这些类器官可以充当传统2D / 3D培养模型和体内模型之间的转化桥梁,并用于研究组织发育过程、疾病模型构建和药物筛选。基质胶(Matrigel)和组织特异性细胞外基质已被证明可以有效地支持类器官发育;然而,它们在化学成分上没有明确的界定,且性质不可调的特性以及相关的批次间的变化通常会限制实验过程的可重复性。在这方面,化学成分明确的平台为优化和重建组织特异性微环境提供了更广泛的机会。本综述描述了该领域目前的研究趋势,侧重于材料视角和靶组织(例如神经、肝脏、胰腺、肾脏和肠道)。本文还讨论了当前的局限性和未来前景,为未来的研究提供了基础。

Three-dimensional printing for heart diseases: clinical application review

Yanyan Ma, Peng Ding, Lanlan Li, Yang Liu, Ping Jin, Jiayou Tang & Jian Yang

DOI: 10.1007/s42242-021-00125-8 Downloaded: 3119 Clicked: 2940 Cited: 0 Commented: 0(p.675-681) <Full Text>

Chinese summary   <7>  西京医院杨剑等 | 心血管3D打印:临床应用综述

本综述论文聚焦3D打印在心血管疾病中的应用。心血管疾病严重危害着人类健康,随着治疗技术和方法的不断进步,心血管疾病的治疗手段已逐渐从传统外科转向经导管介入治疗。大量研究证明,3D打印复杂心脏疾病模型,可清楚直观地了解病变部位的具体解剖结构,为临床治疗提供个体化、精准化辅助指导。同时,3D打印心血管疾病模型,在提高心血管疾病教学和模拟手术操作方面已取得了很好的临床效果。本文从具体应用案例出发,阐述了3D打印对不同类型的心血管疾病在临床治疗中的辅助指导作用;探讨了目前3D打印存在的局限性和临床对心血管3D打印的需求。

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