本综述论文聚焦类器官在构建多种器官中的疾病模型上的应用。单层培养条件的局限性促使科学家探索可以更准确表征人体器官的结构和功能的新模型。最近，制造方法上的改进使得构建三维（3D）类似器官结构，称为“类器官”，成为可能；类器官可以体现其对应真实器官的特征，包括形态特征、功能活动和对特定病原体的个性化反应。本文讨论了不同的基于类器官的3D模型，并根据他们的原始生发层进行分类。模拟真实组织复杂性的类器官研究可以为产生实践知识以及临床前研究提供新的平台和机会，包括药物筛选、毒理学和疾病的分子病理生理学。本文还概述了当前类器官系统遇到的主要挑战，优势和前景。

本综述论文聚焦体外肝毒性模型的研究进展。肝损伤是药物开发、临床前研究和临床治疗中药物被召回的常见原因。肝损伤患者如果没有得到适当治疗，会因此急性肝功能衰竭甚至死亡。因此，利用方便的体外肝毒性评估模型进行早期药物诱导的肝毒性检测，对于药物开发和个性化药物治疗至关重要。生物材料（例如水凝胶、纳米纤维和脱细胞肝脏基质）和生物工程技术（例如微阵列、3D打印和微流体技术）已应用于体外肝毒性评估模型研发。本综述总结了肝脏的结构和功能，以及体外肝毒性评估模型的分类。另外，本文突出介绍了肝毒性模型的最新进展及其临床转化。

本综述论文聚焦自组装肽水凝胶在硬组织修复中的发展与应用研究。开发应用于硬组织修复和再生的天然生物材料非常重要，尤其是在老年人口较多的社会中更加凸显其重要性。自组装肽水凝胶是新一代生物材料，具有出色的生物相容性、可调机械稳定性、注射性和可控触发的能力，且较少触发排异反应，并可以承载细胞和活性药物用于组织再生。基于肽的水凝胶是羟基磷灰石晶体沉积的理想模板，可以模拟细胞外基质环境。因此，与传统方法相比，基于肽的水凝胶更能增强硬组织修复和再生。本文综述了三种主要的自组装肽水凝胶，包括离子自互补肽、两亲性（表面活性剂样）肽和三螺旋（胶原样）肽，它们具有在骨骼和牙齿组织再生方面的潜在应用。特别关注了主要的生物活性肽，自组装肽水凝胶的作用和重要性，并简要概述了用于骨骼和牙齿组织工程和再生的自组装肽水凝胶的分子模拟。

本综述论文聚焦肺微生理系统在新型冠状病毒病理模型建立与药物研发中的应用。我们迫切需要有效的治疗方法来应对新型冠状病毒病（COVID-19），这是由严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的呼吸道疾病。药物开发是一个昂贵且细致的过程，其进展往往受限于寻找最初的相关线索。为了帮助解决这一问题，我们需要对体外人体微生理系统进行改进和调整，以进行机理研究和药物筛选，从而在疫情期间节省宝贵的时间和资源。SARS-CoV-2病毒攻击肺部，这一以其功能单元的独特三维结构对正常呼吸功能至关重要的器官。体外肺模型基本上概括了不同的组织结构以及不同细胞类型之间的动力学、机械和生物相互作用。目前的模型系统包括Transwell迁移侵袭实验，类器官和器官芯片或微生理系统（MPS）。本文综述了与COVID-19病理学建模直接相关的模型，包括炎症、水肿、凝血以及肺免疫功能的过程。我们还考虑了可能影响微生理系统设计和制造的实际问题。阐述了多器官模型背景下肺微生理系统的作用，并讨论了如何将高通量筛查和人工智能与肺微生理系统相结合，以加速COVID-19和其他传染病的药物开发。

本研究论文聚焦利用双光子打印技术（TPP）打印微栅格3D结构（微栅格网络）研究多尺度的细胞动态生命活动。微栅格网络大小约1000 μm×1000 μm，网络由尺寸为15 μm×15 μm×1 μm（长×宽×高）的栅格单元组成。与现有研究中通过激光雕刻并填充金属的方法（EBL）相比，由TPP直接3D打印的微栅格网络具有时间快、成本低、工艺简单和功能多样化四大优势。本研究应用微栅格网络研究了细胞膜的动态流动、膜蛋白的限制性运动、细胞核的力学形变和细胞的跨障碍迁移等多尺度的细胞动态生命活动。本研究应用TPP打印的微栅格3D结构在生物物理学、材料学和生物力学领域具有广阔的应用空间。

本研究论文聚焦人工制造的肝微组织在体外的性能提升研究。与其他支持细胞类型共培养的原代人肝细胞（PHHs）的多细胞微组织是药物筛选和毒理学研究的候选模型。然而，这些肝脏微组织（LMs）在离体培养期间会迅速失去其功能。在本研究中，为了模拟细胞和结构肝脏微环境，我们制造了以肝脏细胞外基质（LMP）为原料的细胞大小的微粒（MPs），与人间充质基质细胞（MSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）共培养原代肝细胞。微孔培养平台能够以高效的LEMP整合（细胞：微粒=2：1下约为70%）对尺寸控制的多细胞微组织（PHH：HUVEC：MSC=3：2：1）进行生物制造。将制造的肝微组织离体培养14天，并在基因和蛋白质表达、功能活性、细胞色素P450（CYP450）酶诱导性和药物敏感性方面与纯细胞肝微组织进行比较。与纯细胞肝微组织相比，结果显示肝相关基因表达、功能活性和PHH在制造的肝组织中具有优越性。制造组的CYP450酶诱导性和对毒性药物的剂量反应敏感性显著较高。总之，通过在多细胞微组织中掺入组织特异性微粒的微组织工程可以为药物发现研究和细胞移植应用提供一些优势。在不久的将来，这种方法可以生成一个可扩展的平台，包含不同器官的几种功能性生物制造微组织。

本研究论文聚焦小分子荧光探针在色素代谢异常性皮肤病诊断中的价值评估。白癜风、黄褐斑等色素代谢异常性皮肤病的早期诊断十分重要，而酪氨酸酶水平和活性异常可能是早期诊断的可靠指标。一些基于试卤灵的小分子荧光探针（RBFPs）已应用于肿瘤组织酪氨酸酶检测，但尚未运用于色素代谢异常性皮肤病的诊断。本研究使用多种类型的皮肤细胞、斑马鱼、豚鼠和SD鼠作为研究模型，并使用小干扰RNA、曲酸和苯基硫脲（PTU）抑制酪氨酸酶的表达或活性，对一种RBFPs进行综合评估。研究结果发现该RBFPs在细胞和动物模型中均可准确反映酪氨酸酶的表达和活性变化，且具有良好的安全性。因此研究认为RBFPs在色素代谢异常性皮肤病诊断中有一定的价值，但也易受到毛发等因素的干扰，在实际应用中存在局限性，后续研究可针对性改良。

本研究论文聚焦以医疗影像手段为基础的骨植入物3D打印研究。磁共振成像（MRI）是一种常见的临床诊断手段，用于可视化缺陷并区分人体中的不同组织类型和病理。到目前为止，MRI数据尚未用于在界面缺损的情况下建模和生成多层组织替代物的患者特异性设计。对于需要高度个性化手术治疗的骨科病例，通过增材制造技术制造植入物进行治疗具有巨大潜力。基于挤出打印技术，可以在空间上对多种材料进行排布，从而进行生物3D打印。以剥脱性骨软骨炎（OCD）患者的典型多带骨软骨缺损为例，本研究旨在缩小MRI分析与基于不同生物墨水的植入物增材制造工艺之间的技术差距。本研究提出了一个工作流程，涵盖了基于MRI的缺陷识别、分割、建模、种植体设计调整和种植体生成的处理步骤。基于两种具有临床相关特性的生物墨水制造了模型植入物，并载入患者自体细胞。本研究采用立体光刻（SLA）技术打印了变股骨髁模型，证明了本文提出的设计和制造的模型植入物的几何兼容性，从而成功建立了一种新的多功能CAD / CAM工作流程，为治疗多区域（骨软骨）缺损开辟了新的视角。

本研究论文聚焦使用3D打印技术帮助构建稳定的动物疾病模型相关研究。在临床前动物研究中研究治疗效果时，临床结果的可重复性很重要。由于其生理相关性，猪心肌梗死（MI）模型已被广泛用于评估干细胞或组织工程构建体对缺血性心脏病的有效性。现有几种方法用于在猪模型中诱导心肌梗死，然而由于个体差异问题，使用这些方法很难从一组动物中获得相似水平的功能结果，从而导致实验成本增加。因此，为了最大限度地减少人为干预，本文作者开发了一种使用定制封堵器的方法，该封堵器与猪模型中动物冠状动脉的尺寸相似。本文作者进行了血管造影术，以测量每个动物的左前降支中段动脉的直径，并使用3D打印系统制造定制的封堵器。制造的封堵器包含一个比目标左中前下动脉小的中央孔，以模拟动脉粥样硬化冠状动脉，其阻塞状况约为20%。有趣的是，3D打印的封堵器可以通过中心孔提供连续的血流，术后有长达28天的高存活率（88%）。与传统的代表性闭胸方法（50%存活率）相比，该方法显示出产生一致的心肌梗死诱导的可能性。这些结果强调了本文提出的方法可以加速可靠的实验，并对开发缺血性心脏病的新治疗方法产生深远影响。

本研究论文聚焦多孔水凝胶阵列用于肝癌细胞球体形成及耐药性研究。耐药是影响肿瘤化疗疗效最大的障碍。尽管肿瘤治疗取得了很大进展，但这一问题仍然普遍存在。为了提高对化疗药物治疗的反应性，已开发了多种用于耐药性研究的体外模型和平台。近年来3D细胞球体的培养方法取得突飞猛进的发展，尤其以水凝胶为代表的仿生材料因其具有优良的仿生微环境，被广泛用于细胞球体的培养。受蜂群生活和繁殖的蜂巢结构的启发，本文作者借助PEGDA水凝胶构建多孔水凝胶阵列用于培养肝癌细胞球体。研究结果发现在多孔水凝胶阵列中形成了大量致密、清晰的3D肝癌细胞球体，所建立的细胞球体大小均一且形态完整，接近体内实体瘤的形态。同时，与传统2D培养的细胞相比，肝癌亲本和耐药细胞产生的3D细胞球体对仑伐替尼的耐药性和迁移能力显著增加。此外，与2D模型相比，3D模型中P-gp蛋白表达水平显著升高，E-cadherin蛋白表达水平明显降低；更有趣的是，在仑伐替尼治疗48小时后，3D模型中P-gp蛋白表达水平下降，E-cadherin蛋白表达增加。而在2D模型中，只有P-gp的表达下降，这证实了3D模型在耐药性研究中的优越性。我们相信，本研究设计制备的多孔水凝胶阵列将有助于开发各种类型的三维组织模型，并为研究体外药物试验提供一个有价值的平台，在肿瘤细胞球体培养和体外耐药研究中具有广阔的应用前景。

本研究论文聚焦能够适应人体气管动态行为的功能支架设计。气管支架是针对气管狭窄或塌陷的患者所采用的一类气管内部环形网状支撑物，以此来扩张和支撑气管，达到解除狭窄的治疗目的。支架植入术是除手术外治疗气管狭窄较为理想的方法。然而，目前临床上常用的气管支架难以达到完全理想的治疗效果，主要缺陷表现在批量生产的支架无法适应不同患者、不同病灶、不同阶段的治疗需求，其主要原因包括：①由于人体呼吸运动的多样性和复杂性，导致支架在气管内移位甚至脱位；②对于儿童患者，现有的支架由于无法适应人体生长变化而导致失效。因此，设计并制造一种形状、性能可变，能够适应人体气管动态行为的功能支架，已成为决定气管狭窄治疗效果最为关键的因素之一。

鉴于此，论文提出了一种波浪形非均匀韧带手性结构气管支架。该支架基于手性拉胀机械超材料的负泊松比特性，采用波浪形非均匀韧带（W-N-L）替换四手性和反四手性混合结构的切向韧带，实现了支架的J形应力-应变行为和负泊松比特性。通过调控韧带几何参数和晶格拓扑模拟原生气管力学特性，且支架表现出负泊松比效应，轴向拉伸形变条件下，径向适度膨胀以适应气管动态行为，对保证气道畅通和消除支架移位起到重要作用。

本研究论文聚焦4D打印PLA/PCL形状记忆复合材料的可控连续变形。由于形状记忆聚合物(SMPs)具备良好的力学性能，快速的响应时间和良好的生物相容性，因此是一种很有前途的生物医学应用材料。然而，由于SMP的变形温度高且变形过程单一，其很难实现可控的连续形状变化。鉴于此，本文采用4D打印技术制备了基于聚乳酸(PLA)基体和半结晶线型聚合物聚己内酯(PCL)的形状记忆复合材料。与单纯PLA相比，随着PCL含量的增加，4D打印PLA/PCL复合材料的玻璃化转变温度从67.2 ℃降低到55.2 ℃。通过对变形条件的精确控制，PLA/PCL形状记忆复合材料可以实现具有优异形状记忆效果的可控顺序变形。形状恢复的响应时间小于1.2 s，形状回复率在92%以上。为了模拟花瓣开放和药物释放的顺序效应，本文通过组装不同PLA/PCL比例的PLA/PCL样品，设计了一种双层仿生花和一种药物释放装置。结果表明，4D打印PLA/PCL复合材料在仿生机器人和生物医学设备领域具有潜在的应用前景。

本研究论文聚焦使用3D打印金属植入物治疗骨癌的临床应用。由于其随机形状，骨癌生长会降低骨骼强度，从而改变其支持体重或肌肉的能力。这会影响正常行走或日常活动，从而严重影响人类的生活质量。为了使患者成功康复，有必要尽快切除受癌症影响的最小骨区域，并在两周内迅速用生物相容性好的金属植入物替换。本研究设计并在患者体内安装了电子束熔融的Ti-6Al-4V植入物，以保存靠近骨肿瘤的天然膝关节。所开发的植入物与骨缺损吻合性好，并且在手术后六周内恢复了自然膝关节的独立行走功能。在Ti-6Al-4V植入物成功替换受癌症影响的骨后六个月，由于植入物近端的网状交界处轻微向下滑移，患者发生了延迟性骨折。本文作者对断裂区域进行了微观结构、力学和计算分析，并找出延迟断裂的主要原因。本文关于机械和材料研究的发现可以帮助实现3D打印钛植入物的安全植入，以保护四肢有大量骨缺损的患者的自然关节。

本研究聚焦蚜虫仿生液体弹珠的可食用化制备及其多相转换和可调节阻水能力。液体弹珠通常采用的表面含氟颗粒包裹水的制备策略是限制其运用到食品药品领域的主要因素，将表面包裹颗粒可食用化是解决此问题的理想方案。鉴于此，本文基于荷叶表面微纳结构和化学组成构建了可食用液体弹珠，并通过利用连续生产系统，以巴西棕榈蜡和蜂蜡混合颗粒作为界面活性剂，包裹水和固体，空气相或混合相完成了稳定食品液体弹珠、载药颗粒、载药胶囊的生产。可食用的液体弹珠可以包裹水和食品。载药颗粒、载药胶囊可以通过应用果胶或糖浆作为内容物来制造。此外，通过加热不同比例的混合蜡粉可以生产出水稳定的载药颗粒、载药胶囊。蜡粉作为界面活性剂可以与果胶形成牢固氢键结合。因此，可食用的液体弹珠可用于食品工业中的残留物减少、腐蚀减少、生物危害预防和清洁。载药颗粒、载药胶囊可以作为具有水运、保鲜、缓释和选择性释放能力的新型药用包装材料。

本研究论文聚焦微针贴片的制备用于调节糖尿病鼠血糖。皮下注射导致患者耐受性差，并产生疼痛感，给糖尿病患者的日常生活带来了极大的不便。本研究设计了一种甲基丙烯酸化明胶微针（GelMA-MNs）并负载二甲双胍，用于调节糖尿病鼠血糖。采用微模板法制备了GelMA-MNs。制备的GelMA-MNs具有优异的力学性能和耐湿性能。将降糖药物二甲双胍包覆至GelMA-MNs中，其体外药物释放速率可通过GelMA的溶胀进行调控，GelMA-MNs的体外药物释放实验表现出缓释行为。通过提高GelMA-MNs的交联密度，可显著延长药物释放时间。对糖尿病鼠给予GelMA-MNs经皮治疗后，GelMA-MNs的治疗效果优于皮下注射，显示出良好的糖尿病治疗效果。

2021年盛夏，在浙江大学机械工程学院、流体动力与机电系统国家重点实验室的支持下，由Bio-Design and Manufacturing (BDM)编辑部主办了第一届"生物设计与制造"青年学术论坛。论坛主席，浙江大学机械工程学院院长、BDM杂志主编杨华勇院士诚邀了国内外的青年才俊，如来自哈佛大学的Yu Shrike Zhang教授、华西医院的苟马玲教授、同济大学的许晓斌教授、中科院深圳先研院的阮长顺研究员、吉林大学的梁云虹教授、浙江大学的邹俊教授、清华大学熊卓研究员、哈工大深圳校区的吴洋研究员、北航的冯林教授、空军军医大学的刘世宇研究员、剑桥大学的Yan Yan Shery Huang教授等围绕着生物制造中的一些关键问题分享了他们的研究进展。与会学者及浙江大学的生物制造研究方向的师生进行了深入的交流，经过一天的研讨，梳理了这个领域要关注的“五个关键”问题：

1、 生物组织如此复杂，1:1的体外重建其宏微纳结构，在制造上几乎不能实现。那生物制造到底要仿生体内组织到哪个层次？

2、 个性化的生物制造已开始逐步走向了临床产品，在这个过程中，个性化制造如何与医疗器械审批中的标准化相匹配，从而满足国家监管层的要求？

3、 干细胞治疗国际上已有一些产品，国内也将有一批干细胞治疗产品获批，含细胞产品进入临床有哪些要求及限制？

4、 现有疾病体外模型评价主要依赖生化检测，是否有更高效的评价方法？

5、 如何合法获得病人资料，防范伦理问题？

后续BDM杂志将持续组织系列研讨，推进生物制造方向的发展，这个领域不断出现新问题，所以青年学者们期待下一场论坛的碰撞。