Current Issue: <BDM>

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:  <318>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Editorial

Smart bioelectronics and biomedical devices

Nanjia Zhou, Liang Ma

DOI: 10.1007/s42242-021-00179-8 Downloaded: 1278 Clicked: 852 Cited: 0 Commented: 1(p.1-5) <Full Text>

Chinese summary   <19>  《生物设计与制造》2022年特邀专辑 | 智能生物电子和生物医学器件,文章目录与简介

智能生物电子和生物医学器件的发展极大地推动了生物医学工程领域的发展,实现了从基础生物医学研究到临床医学和植入物的无数应用。站在材料科学、机械、电气和生物工程的交叉点,这个引人入胜的领域引起了世界各地研究人员的极大关注,提供了以前不可想象的全新医疗保健解决方案。从脑机接口到生物医学纳米/微型机器人,科学家们已经开发出不同的材料并设计出不同的制造方法来提升生物电子系统的功能,以满足对生物和仿生应用不断增长的需求(图1)。

用于生物电子和生物医学器件的材料

从材料的角度来看,生物电子学和生物医学器件主要由导电、介电和半导体材料以及软基板封装组成。这些可以通过电刺激和记录生物信号与人体交互的系统在新兴的神经科学和工程[1]、诊断[2]、治疗[3]以及可穿戴和可植入设备[4]中引起了极大的兴趣。生物电子学的制造结合了可变形电路的精心设计,刚性和平面半导体器件的集成以及柔软可拉伸的封装工艺,以实现与柔软的生物组织甚至生长的有机体更好的机械匹配,使它们与人体不断进行交互。

生物相容性金属(如金)被设计成环形,使其可拉伸作为导电电路材料,通过“软光刻”技术将这些可拉伸电路与半导体进一步集成到薄而灵活的聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装[5];制造出的几种不同类型的生物电子器件,包括表皮触觉/化学传感器[6]、植入式心脏起搏器[7]、光电子[8]等,证明了它们在生物医学研究和潜在临床治疗中的应用。可降解金属和金属氧化物分别用作导电和介电材料,以及生物可吸收丝或聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA),可以制造瞬态生物电子学[9-12]。然而,在长期植入过程中,生物电子学和生物组织之间仍可能会形成疤痕组织,导致界面阻抗增加[13]。

由于水凝胶与生物组织的相似性、水渗透性以及在电气、机械和生物功能工程中的多功能性,水凝胶已成为制造下一代生物电子器件的有力候选者。无论是聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚(甲基丙烯酸-2-羟乙酯)(PHEMA)等合成高分子,还是多糖、明胶、蛋白质等天然高分子都可以用于合成生物相容性水凝胶。通过将氯化锂、氯化钠、氯化钾等电解质分子甚至两性离子分子进一步溶解到水凝胶基质中,可以实现离子导电[14,15]。这些基于离子导电水凝胶的电子器件也被称为离子电子器件,已在表皮传感器、人工轴突和软致动器中得到应用[16]。然而,它们的低导电性和离子导电性阻碍了它们在体内测试中的应用。

制造生物电子器件的另一类重要材料是两亲性导电聚合物,如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)、聚吡咯(PPy)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)和聚苯胺(PANI)。与离子导电水凝胶相比,它们的高电导率使其在制造可植入生物电子学方面更有潜力,例如可以监测小鼠大脑电生理信号的神经探针[17],用于长期慢性电刺激和监测的植入式和可变形电子器件[18],以及细胞支架[19]等。

最近,通过将导电填料掺入水凝胶基质中合成的复合导电水凝胶已成为生物电子器件的另一种可替代的候选者。利用PEDOT/PSS、碳纳米管、石墨烯等导电材料的高电导率,以及水凝胶的柔软性和可拉伸性,复合材料可以表现出高达约50 S/m的高电导率和机械性能,可拉伸性高达约600%[20]。

生物电子和生物医学器件的新制造技术

从制造和结构设计的角度来看,传统制造方法依赖于纳米制造方法,例如光刻、电子束蒸发以及在柔性基板上溅射导电、电介质和半导体特征[21]。Rogers课题组发明了一系列与具有复杂逻辑功能的硅电子制造兼容的转移印刷工艺。多年来,已经展示了一系列转移打印系统,例如大脑皮层映射、心脏电生理学[22]等。为了克服通常与生物系统不兼容的平面器件几何形状的限制,最近的生物电子器件采用保形添加剂印模(CAS)印刷技术将复杂的硅电子器件转移到非平面上[23]。另一种重要的策略是使用机械引导屈曲[24, 25],它可以实现可扩展的高分辨率3D结构制造。为了符合生物组织或血管[26],柔性生物电子学也可以缠绕在各种大小的动脉周围,以准确测量血流。

作为传统纳米制造方法的替代方法,最近出现的增材制造方法具有低成本、快速原型制作和定制等优势。它们还允许对使用传统方法难以集成的许多材料进行图案化。在不同的添加剂方法中,丝网印刷和喷墨印刷是报道最多的方法,因为它们易于使用且历史相对较长[27]。大多数报道集中于低浓度介电和导电油墨的无掩模图案化[28]。利用各种功能材料,直写成型技术(DIW)最近已成为生物电子学和生物系统制造的多功能平台。Yuk等人[17]介绍了使用PEDOT/PSS墨水在小鼠背侧海马(dHPC)中进行电生理记录的3D打印软神经探针。对于多材料直写成型技术(DIW),Lind等人[29]展示了一个使用各种牺牲材料、弹性体、导电和介电材料进行药物反应研究的心脏微生理设备的示例。

聚焦新材料、设计和制造方面,我们组织了“智能生物电子与生物医疗器件”专辑,强调生物电子与生物医疗器件所涉及的生物设计和制造方面,包括新材料、设计、制造和应用。我们从Han等人的一篇社论开始[30]讨论了神经导管的增材制造。社论概述了增材制造在模拟神经组织细胞外基质(ECM)所需的拓扑形状、生物相容性和机械性能方面的优势,以及可印刷生物材料及其高分辨率加工的进展和挑战。

Huang等人的观点论文涵盖了用于血糖监测的微创生物传感器的主题,特别是使用微针技术,旨在安全准确地检测与糖尿病并发症相关的皮下微环境变化。

一系列研究文章随之而来。Huang等[31]开发了一种可伸缩的自供电生物传感器,集成了酶生物燃料电池作为自供电传感模块。乳酸和葡萄糖酶生物燃料电池(EBFC)传感器通过一系列喷涂和浇铸方法制造,以及光刻微流控装置可用于高效汗液收集和传感。Jing等[32]使用亲水导电聚多巴胺(PDA)掺杂的聚吡咯(PPy)纳米颗粒掺入二肽水凝胶,开发了一种新型导电透明二肽水凝胶墨水。这种策略允许材料具有良好的导电性和透明度,并能够应用于身体粘附信号检测。Li等[33]应用飞秒激光处理对Pt-Ir神经电极进行了超芯吸行为,从而大大提高了电性能和润湿性。由于激光加工实现的分层表面微/纳米结构,电极显示出增加的最大电荷存储容量,这使得它们有望用于临床神经电极。Wang等[34]设计了一类气动肌肉类致动器,称为高度模拟骨骼肌(HimiSK),由柔性矩阵中平行排列的收缩单元组成。收缩单元和柔性基质分别模拟肌肉纤维和结缔组织,在激活时实现3D驱动,并显示出类似于生物肌肉的内在力-速度和力-长度行为。Zeng等[35]通过设计形状记忆聚合物(SMP)的区域描绘和形状记忆特性,开发了一种仿生4D打印布局策略。Zhang等[36]开发了一种新型气动辅助雾化装置(PAAD),它可以在低压下均匀地输送活细胞。喷射的细胞保持高活力和分化,使其成为临床细胞治疗和伤口愈合的理想选择。Zhang等开发了一种使用数字光处理(DLP)进行快速抗生素敏感性测试的3D打印微流体梯度浓度芯片。获得的抗生素梯度浓度环境为临床环境中测量细菌对抗生素的敏感性提供了一种快速检测方法。Hesselmann等[37]提出了一种基于多轴离心工艺的膜组件3D灌封新设计,可以改善流动路径并降低滞留体积,最终提高人工肺的效率。最后,在新冠大流行期间,Park等[38]使用市售组件设计并测试了具有成本效益、可快速扩展的呼吸机(ALIVE Vent)。该解决方案可能会提供拯救生命的解决方案,尤其是对于资源稀缺地区的人们。

本期特刊还收集了五篇综述文章,涉及生物设计和制造的几个重要领域。Santoni等提供了有关生物打印主题的科学文献和专利的广泛展望,表明该领域正在迅速扩展。与Huang等的研究文章[31]相呼应,Heng等回顾了用于汗液分析的可穿戴柔性传感器。最近的研究集中在具有多种形状因数和材料的汗液传感器上。该评论还涵盖了不同的传感机制及其优势和挑战。Lim等[39]讨论了组织工程生物反应器设计的要求,应通过优化材料设计、传质、机械和电刺激来提供仿生生理平台。Lin等人[40]总结了具有能源效率和小型化优势的生物机器人这一令人兴奋的话题。这篇综述涵盖了近年来开发的生物混合机器人在电源、支持生物材料和结构方面的进展。最后,Willemen等人的工作[41]涵盖了各种3D和4D打印技术及其在制药领域作为药物输送系统和个性化医疗的应用。

希望本期特刊能够汇集不同角度的研究和观点,为不断发展的生物电子器件和系统领域带来新的见解,为该领域带来新的启发,拓展智能生物电子和生物医学器件的可能性适用于许多实际和临床应用。

Industry news: the additive manufacturing of nerve conduits for the treatment of peripheral nerve injury

Ying Han, Jun Yin

DOI: 10.1007/s42242-021-00166-z Downloaded: 826 Clicked: 920 Cited: 0 Commented: 0(p.6-8) <Full Text>

Chinese summary   <18>  浙江大学尹俊等 | 增材制造神经导管用于外周神损伤修复

本社论聚焦3D打印神经导管在外周神经再生治疗中的应用。外周神经损伤在生产生活中十分常见,针对大段神经缺损,神经导管可以提供一个利于神经恢复的封闭微环境,其结构设计和制造方法得到了广泛研究。现阶段对于导管内部微环境的仿生设计,主要是引入物理引导地形和生化诱导因子,如微结构定向、多层设计、生长因子缓释等,这些设计的实现需要依托高精度、可定制化的制造技术。而3D打印增材制造技术可以精准高效地实现生物材料、生化因子甚至活细胞的空间定点分布,使其在神经导管的制备中具备独特优势,其中挤出、光固化、喷墨3D打印技术应用最广。本文从具体案例出发,分析了几种3D打印技术应用于神经导管制备的优势和不足,涵盖了陈绍琛、苟马玲、Michael C. McAlpine等课题组的工作,同时聚焦该领域目前的研究趋势,探讨了多材料复合神经导管的研究前景,对工业生产提供指导作用。

Perspective

Minimally invasive technology for continuous glucose monitoring

Xinshuo Huang, Jingbo Yang, Shuang Huang, Hui-jiuan Chen & Xi Xie

DOI: 10.1007/s42242-021-00176-x Downloaded: 983 Clicked: 879 Cited: 0 Commented: 0(p.9-13) <Full Text>

Chinese summary   <16>  中山大学谢曦教授、黄新烁等 | 用于连续葡萄糖监测的微创技术

本观点论文聚焦应用于连续葡萄糖监测的微创技术进展。目前,糖尿病的诊断和治疗对现有技术存在迫切需求:(1)准确检测血糖;(2)连续监测血糖;(3)生物安全性或对人体无害。微创生物传感器是一种可以进入生物组织或人体内部环境的功能或电子传感器,由于其微创性和便利性,近年来在糖尿病诊断方面引起了极大的关注。在这些微创技术中,微针结构由单个或一组微米级的微型针头组成,可以穿透角质层,形成瞬时微通道,接触皮下组织液进行生物传感,避免透皮行为引起疼痛或发生炎症。近些年来,基于微针的传感器已经成为新一代体内葡萄糖检测的有效工具。本文重点介绍了微针技术在血糖检测和糖尿病治疗等方面的最新进展,并对应用材料、创新结构和发展瓶颈进行了总结。微针平台有望突破传统诊断和治疗在功能、灵敏度和生物相容性方面的限制,为糖尿病提供更好的解决方案。

Review

3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice

Silvia Santoni, Simone G. Gugliandolo, Mattia Sponchioni, Davide Moscatelli & Bianca M. Colosimo

DOI: 10.1007/s42242-021-00165-0 Downloaded: 1099 Clicked: 1015 Cited: 0 Commented: 0(p.14-42) <Full Text>

Chinese summary   <16>  米兰理工大学Mattia Sponchioni等 | 生物3D打印的现状与趋势——科学文献与产业实践指南

本综述聚焦生物3D打印的学科发展与产业现状。生物3D打印是一个多学科交叉的研究领域,将增材制造、生物学和材料科学结合起来,制造出具有模仿自然活体组织的三维结构的生物结构。对个性化医学日益增长的需求进一步激发了人们对制造出功能化组织器官的高度兴趣,从而使生物3D打印在生物医学研究领域成为研究热门,并吸引了公司、大学和研究机构的广泛研究努力。在这种背景下,本文提出了一项科学计量分析方法来批判性综述当前有关生物3D打印的文献以及产业发展情况,以提供一个清晰的概述来说明其快速变化的发展趋势。本文通过检索9314篇科学论文和309项国际专利,对2000-2020年的科学文献和专利申请结果进行了总结和批判性分析,来描绘这一新兴技术的顶级研究国家、机构、期刊、作者和热门主题的科研和产业全景,以此来确定全球的生物3D打印技术中心。因此,这篇综述文章为对该领域感兴趣的研究人员或那些只是想简单了解下增材制造和生物3D打印新趋势的人们提供了研究指南。

Bioreactor design and validation for manufacturing strategies in tissue engineering

Diana Lim, Eric S. Renteria, Drake S. Sime, Young Min Ju, Ji Hyun Kim, Tracy Criswell, Thomas D. Shupe, Anthony Atala, Frank C. Marini, Metin N. Gurcan, Shay Soker, Joshua Hunsberger & James J. Yoo

DOI: 10.1007/s42242-021-00154-3 Downloaded: 1734 Clicked: 891 Cited: 0 Commented: 0(p.43-63) <Full Text>

Chinese summary   <16>  维克森林医学院Anthony Atala、James J. Yoo等 | 组织工程制造策略的生物反应器设计与验证(封面文章)

本综述论文聚焦用于组织工程的生物反应器的一些工程实践问题。再生医学和组织工程领域为疾病或损伤后的恢复、维持或改善组织功能提供了新的治疗选项。为了最大限度地提高组织工程临床产品的生物学功能,必须在生物反应器内保持特定条件,以允许产品培养成熟以达到植入条件。具体而言,生物反应器的设计应模仿所生产的组织将在体内暴露的机械、电化学和生化环境。在制造过程中对于组织工程产品的功能进行实时监控的能力是质量管理过程的关键组成部分。本综述简要概述了生物反应器的工程考量因素。此外,还讨论了生物反应器自动化、在线产品监控和质量保证的策略。

Emerging wearable flexible sensors for sweat analysis

Wenzheng Heng, Geng Yang, Woo Soo Kim & Kaichen Xu

DOI: 10.1007/s42242-021-00171-2 Downloaded: 2010 Clicked: 907 Cited: 0 Commented: 0(p.64-84) <Full Text>

Chinese summary   <16>  浙江大学杨赓、徐凯臣等 | 可穿戴式汗液分析柔性传感器

本综述论文主要着眼于近五年来可穿戴汗液传感器的发展。汗液作为一种具有非侵入性收集潜力的生物液体,含有各种化学物质和物理信息,可用于监测健康状况、压力水平、运动状态和营养信息。近年来,可穿戴汗液传感器已经被开发出来,日渐成为能够取代传统实验室汗液检测方法的有广阔发展前景的测量平台。这些传感器有希望实现低成本、实时、现场的汗液测量,并为基于个性化大数据的健康状况评估分析提供了数据基础。本文首先概述了可穿戴式汗液传感器的总体情况;然后从基本部件的角度,介绍了用于特定传感的材料和结构、传感原理、应用和模式;此外还总结了可穿戴电源管理的策略和传感器具体制造方法。最后,讨论了可穿戴汗液传感器目前的挑战和未来的发展方向。

(文章作者包括美国加州理工大学博士生衡文正,加拿大西蒙弗雷泽大学Woo Soo Kim教授,浙江大学杨赓、徐凯臣研究员)

From oral formulations to drug-eluting implants: using 3D and 4D printing to develop drug delivery systems and personalized medicine

Niels G. A. Willemen, Margaretha A. J. Morsink, Devin Veerman, Classius F. da Silva, Juliana C. Cardoso, Eliana B. Souto & Patrícia Severino

DOI: 10.1007/s42242-021-00157-0 Downloaded: 1801 Clicked: 935 Cited: 0 Commented: 0(p.85-106) <Full Text>

Chinese summary   <16>  哈佛医学院Patrícia Severino等 | 从口服制剂到药物洗脱植入物:使用3D和4D打印开发药物输送系统和个性化医疗

本综述论文聚焦3D和4D打印在药物递送和精准医疗上的应用。自2015年美国启动精准医疗倡议以来,人们对个性化医疗的兴趣广泛增长。简言之,个性化医疗是一个针对个人医疗的术语。实现个性化医疗的一种可能方法是3D打印。当使用可以在受到刺激时可进行调控的材料进行3D打印时,就产生了4D打印的概念。近年来,许多研究人员一直在探索一个将3D和4D打印与治疗相结合的新领域。这产生了许多制药设备和配方的概念,且可能为个人量身定制。此外,第一种3D打印药物Spritam®已经进入临床阶段。本文综述了各种3D和4D打印技术及其在制药领域作为药物输送系统和个性化医疗的应用。

The emerging technology of biohybrid micro-robots: a review

Zening Lin, Tao Jiang & Jianzhong Shang

DOI: 10.1007/s42242-021-00135-6 Downloaded: 1526 Clicked: 918 Cited: 0 Commented: 0(p.107-132) <Full Text>

Chinese summary   <16>  国防科大蒋涛、尚建忠&林泽宁 |新兴的生物混合微型机器人技术综述

本综述论文聚焦新兴生物混合微型机器人技术的回顾。在过去几十年里,机器人学的研究见证了研究人员对小型化、智能化和集成化机器人日益浓厚的兴趣。驱动器是决定机器人性能的关键部件。虽然传统的刚性驱动器(如发动机和内燃机)在大多数宏观环境中已经表现出很大的普及性,但这些驱动器减少到毫米甚至更低尺寸时会导致制造难度的显著增加,同时性能显著下降。由活细胞驱动的生物混合机器人可以利用活组织固有的微尺度进行自组装并实现高能效,成为克服这些缺点的潜在解决方案。此外,生物混合机器人还具有灵活性、自我修复甚至多个自由度等特点。本文系统地回顾了生物混合机器人的发展历程。首先,介绍了生物柔性驱动器的发展历程,强调了生物柔性驱动器相对于传统驱动器的优势。其次,从生物驱动源、驱动器材料、结构与相关的控制方法三个方面对生物混合机器人的最新研究成果进行了详细的综述。最后,文章展望了生物混合机器人的潜在应用前景和面临的主要挑战。

Research Article

From hardware store to hospital: a COVID-19-inspired, cost-effective, open-source, in vivo-validated ventilator for use in resource-scarce regions

Matthew H. Park, Yuanjia Zhu, Hanjay Wang, Nicholas A. Tran, Jinsuh Jung, Michael J. Paulsen, Annabel M. Imbrie-Moore, Samuel Baker, Robert Wilkerson, Mateo Marin-Cuartas, Danielle M. Mullis & Y. Joseph Woo

DOI: 10.1007/s42242-021-00164-1 Downloaded: 1028 Clicked: 825 Cited: 0 Commented: 0(p.133-140) <Full Text>

Chinese summary   <16>  斯坦福大学Y. Joseph Woo等 | 从五金店到医院:适用于疫情期间且经过临床验证的高性价比且易于获取的呼吸机

本研究论文聚焦低成本、易制的呼吸机系统的研发工作。新冠疫情严重暴发的资源匮乏地区没有足够的呼吸机来支持危重病人,这些设备短缺在发展中国家尤其具有破坏性。为了帮助缓解这场疫情带来的影响,我们设计并测试了易制造、低门槛且经过体内验证的经济型呼吸机(ALIVE Vent)。这是一种受本次疫情启发,具有成本效益、开源且经体内验证的解决方案,由市售组件制成。ALIVE Vent使用压缩氧气和空气来驱动吸气,而两个电磁阀可确保单向流动和精确的循环时间控制。该装置使用可变阻尼和顺应性人工肺进行功能测试和剖析,并在麻醉的大型动物中进行了验证。其功能测试结果显示,在美国呼吸护理协会呼吸机储备指南规定的各种通气条件下,其能有效运行。大型动物试验表明,我们的呼吸机在保持最佳通气状态方面的表现与标准呼吸机相似或更优。给氧分率、呼吸频率、吸气-呼气时间比、呼气正端压力和吸气峰值压力成功维持在正常、临床验证的范围内,动物恢复无并发症。在呼吸机使用受限的地区,ALIVE呼吸机可以帮助缓解其短缺问题,我们确保所有使用过的材料都可公开获得。虽然这次疫情的大流行已经揭露了全球医疗保健领域的巨大不平等现状,但旨在减少社会经济障碍的创新,具有成本效益的解决方案,如ALIVE Vent,可以帮助在全球范围内以及COVID-19之后获得及时的医疗保健和救生技术。

Introducing 3D-potting: a novel production process for artificial membrane lungs with superior blood flow design

Felix Hesselmann, Jannis M. Focke, Peter C. Schlanstein, Niklas B. Steuer, Andreas Kaesler, Sebastian D. Reinartz, Thomas Schmitz-Rode, Ulrich Steinseifer, Sebastian V. Jansen & Jutta Arens

DOI: 10.1007/s42242-021-00139-2 Downloaded: 1704 Clicked: 869 Cited: 0 Commented: 0(p.141-152) <Full Text>

Chinese summary   <16>  亚琛工业大学Hesselmann等 | 3D灌封:一种具有卓越血流设计的新型人工膜肺生产工艺

本研究论文聚焦多轴灌封工艺和其在人工肺制造上的应用。目前,人工膜肺由数千个中空纤维膜组成,其中血液在纤维周围流动,气体在纤维内部流动,实现扩散气体交换。在纤维的两端,中空纤维膜和塑料外壳之间的间隙填充胶水,以将气体与血相分离。在单轴离心过程中,胶水形成"灌封"。然后通过离心过程确定固化灌封的形状,这样的制造方法限制了设计可能性,并导致会使血液凝固相关的不利停滞区。在本研究中,我们开发了一种新的多轴离心工艺,扩大了灌封的可能形状,并允许全新的模块设计,在灌封边缘内具有潜在的优越血流引导。对设计的人工肺中的交换过程进行了两阶段模拟,以探索双轴离心过程的可能性并确定合适的参数集。构建了相应的双轴离心装置,以证明本设计的可行性,且通过实验验证了四个概念设计,从而与仿真结果保持良好一致。总结来说,这项研究显示了多轴离心过程的可行性,该过程允许灌封形状的多样性,消除低效的停滞区和更有利的人工肺血流条件。

Preparation of conductive and transparent dipeptide hydrogels for wearable biosensor

Yafeng Jing, Anhe Wang, Jieling Li, Qi Li, Qingquan Han, Xuefang Zheng, Hongyu Cao & Shuo Bai

DOI: 10.1007/s42242-021-00143-6 Downloaded: 1111 Clicked: 879 Cited: 0 Commented: 0(p.153-162) <Full Text>

Chinese summary   <16>  中科院过程工程研究所白硕等 | 导电透明二肽水凝胶的制备及用于可穿戴生物传感器

本研究论文聚焦导电透明二肽水凝胶的制备及用于可穿戴生物传感器。导电透明短肽水凝胶由于具有优异的生物相容性、多功能性及类似于人体组织粘弹性质而成为制备柔性电子器件和可穿戴生物传感器的理想材料。但导电掺杂材料的疏水性使其在凝胶中很难均匀分散,因此制备具有高导电性和透明性的短肽水凝胶依然是一个巨大的挑战。为了解决上述问题,作者一方面采用亲水性聚多巴胺(PDA)修饰聚吡咯(PPy)导电纳米颗粒并引入到短肽水凝胶网络中,另一方面利用自由基对此纳米颗粒的分解作用结合凝胶网络的模板作用,促使导电聚吡咯纳米纤维的形成,制备了全新的导电网络,并允许可见光通过。实验数据表明,该方法不仅赋予了二肽水凝胶良好的导电性和高透明性,而且为导电二肽水凝胶在人体粘附信号检测方面提供了广阔的应用前景。

Hierarchical platinum–iridium neural electrodes structured by femtosecond laser for superwicking interface and superior charge storage capacity

Linze Li, Changqing Jiang & Luming Li

DOI: 10.1007/s42242-021-00160-5 Downloaded: 1040 Clicked: 845 Cited: 0 Commented: 0(p.163-173) <Full Text>

Chinese summary   <16>  清华大学姜长青、李路明等 | 飞秒激光结构化的层级铂铱神经电极具有超芯吸界面和优异的电荷存储能力

本研究论文聚焦基于飞秒激光技术的铂铱(Pt-Ir)电极的新型表面结构及其制备策略。植入式神经电极的界面性能对于安全的电刺激和高质量的电生理活动记录至关重要。飞秒激光技术通过飞秒级别(1 fs=10−15 s)的超短脉冲实现太瓦量级(1 TW=1012 W)的峰值功率,近年来成为了创建表面微纳结构的最佳方法之一。本文基于飞秒激光技术提出了铂铱电极的新型表面结构及其制备策略,极大幅度地提高了界面电化学性能,同时产生出超芯吸的表面浸润特性。本文通过飞秒激光加工参数的不同组合,在铂铱电极上制备了一系列表面微纳结构。随后,对电极进行了扫描电镜、能量色散X射线光谱、循环伏安测试、电化学阻抗谱和润湿行为等表征。结果表明,电极性能在很大程度上取决于表面形貌。提高扫描重叠率并控制适度的脉冲能量和脉冲数量,可以丰富表面微纳结构,同时改善电极性能。经过处理后,几何面积上的最大电荷存储能力提高为传统光滑Pt-Ir电极的28倍,界面电容显著增大。飞秒激光处理后形成的层级结构极大地增强了电极界面的润湿性,使其具有对水的超芯吸特性,芯吸速度可达约80 mm/s,既直观体现了电极性能,还能避免实际植入中的气泡影响。本文的优化策略实现了超芯吸的Pt-Ir界面和优异的电化学性能,有望应用于新的神经电极。

Bioinspired soft actuators with highly ordered skeletal muscle structures

Yingjie Wang, Chunbao Liu, Luquan Ren & Lei Ren

DOI: 10.1007/s42242-021-00148-1 Downloaded: 1175 Clicked: 1007 Cited: 0 Commented: 0(p.174-188) <Full Text>

Chinese summary   <17>  吉林大学刘春宝、王影杰、任雷等 | 受骨骼肌高度有序结构启发的仿生柔性驱动器

本研究论文聚焦仿生柔性驱动器的研究。人类等哺乳动物的骨骼肌由肌纤维和结缔组织构成,这种骨骼肌具有力学特性使它们在激活时能够产生力量输出和三维运动。迄今为止,人工肌肉类驱动器的开发,如McKibben气动人工肌肉,往往专注于单一的收缩元件,而忽略柔性结缔组织,而后者是生物肌肉结构和形态的重要组成部分。因此,受超声测量的骨骼肌结构启发,本文提出一种高度仿骨骼肌(HimiSK)驱动器。该驱动器由平行排列的收缩单元和柔性基质组成,收缩单元作为肌纤维产生主动收缩力,柔性基质作为结缔组织产生被动变形,当收缩单元受到正压力时产生线性收缩和输出力。在该驱动器中,分配收缩单元和柔性基质不同的柔性材料,形成五种柔性驱动器。这些驱动器在激活时均具有三维运动特征,并呈现出与生物肌肉相似的力-速度和力-长度特性。较硬的收缩单元能够产生较高的输出力和强直力,最大输出力提高约41.3%,强直力提高约168%。较软的柔性基体可产生较大的位移和速度,最大位移提高约33.3%,速度提高约73%。结果表明:收缩单元对力的产生起着至关重要的作用,而柔性基质对力的传递和变形有显著的影响,最终的力、速度、位移和三维运动是收缩单元、流体和柔性基质相互作用的结果。我们所提出的HimiSK驱动器模型更好地理解了柔性驱动器的力学行为、力的产生和传递,并强调了使用柔性结缔组织形成与骨骼肌相似的结构和构型的重要性,在设计高效的人工肌肉方面具有潜在的用途。

Layout design and application of 4D-printing bio-inspired structures with programmable actuators

Siyuan Zeng, Yixiong Feng, Yicong Gao, Hao Zheng & Jianrong Tan

DOI: 10.1007/s42242-021-00146-3 Downloaded: 1099 Clicked: 983 Cited: 0 Commented: 0(p.189-200) <Full Text>

Chinese summary   <16>  浙江大学曾思远、冯毅雄、高一聪等 | 基于可编辑激发器的4D打印生物启发结构布局设计及应用

本研究论文聚焦基于可编辑激发器的4D打印生物启发结构布局设计及应用。4D打印是三维(3D)打印的高级应用形式,其随着时间的推移具有可控和可编程的形状变换。激发器被用作具有多级形状恢复的控制因素,并可实现仿生结构的动态机械性能。通过对形状记忆聚合物纤维的印刷工艺进行改变,可以影响制造的激发器的物理性能和机械性能。然而,由于存在多向应变的耦合,激发器布局引起的结构变形将更加复杂。本文根据贝壳的闭壳行为设计了仿生结构,分为通用单元和激发器单元,后者负责驱动转换。在布局热力学模型中考虑了激发器与通用单元之间的相互应力对抗,以消除通用单元不受控制的形状记忆行为所产生的转变。文章提出了激发器布局设计的三种关键且有效的策略,然后将其应用于实现3D打印双层结构所需的精确变形。最后,所提出的方法被验证并用于制造复杂的壳状夹持器结构。

Epidermal self-powered sweat sensors for glucose and lactate monitoring

Xingcan Huang, Jiyu Li, Yiming Liu, Tszhung Wong, Jingyou Su, Kuanming Yao, Jingkun Zhou, Ya Huang, Hu Li, Dengfeng Li, Mengge Wu, Enming Song, Shijiao Han & Xinge Yu

DOI: 10.1007/s42242-021-00156-1 Downloaded: 1167 Clicked: 897 Cited: 0 Commented: 0(p.201-209) <Full Text>

Chinese summary   <16>  香港城市大学于欣格等 | 用于监测汗液葡萄糖和乳酸的自供电的电子皮肤

本研究论文聚焦用于监测汗液葡萄糖和乳酸的自供电的电子皮肤研究。汗液中包含人体多种分泌物,分泌物浓度可以直接反映身体健康状况。因此,近年来可穿戴汗液传感器的研究引起了极大的关注。然而,作为可穿戴传感器目前最主要的供电方式,电池的嵌入限制了器件尺寸的进一步缩小,从而限制了其应用场景和领域。因此,我们提出一种基于皮肤电子的可拉伸的自供电生物传感器,能够在皮肤上实时监控汗液中的乳酸和葡萄糖浓度。该自供电汗液传感器检测乳酸时的决定系数(R2)能够达到0.98,灵敏度为2.48 mV/mM;检测葡萄糖的决定系数达到0.96,灵敏度为0.11 mV/μM。通过结合自主设计的微流道系统和力学结构,在超薄柔软的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,该电子皮肤不仅能够有效地收集汗液,而且展现了良好的机械性能,即使拉伸30%的情况下也能有稳定的性能输出。该用于监控汗液葡萄糖和乳酸的自供电的电子皮肤几乎可以贴附在身体的任何位置,可以用于连续监测日常运动中的乳酸和葡萄糖变化。我们的成果为开发下一代用于实时汗液分析的传感器提供了一种新的可行性方案。

A 3D-printed microfluidic gradient concentration chip for rapid antibiotic-susceptibility testing

Huilin Zhang, Yuan Yao, Yue Hui, Lu Zhang, Nanjia Zhou & Feng Ju

DOI: 10.1007/s42242-021-00173-0 Downloaded: 1203 Clicked: 1004 Cited: 0 Commented: 0(p.210-219) <Full Text>

Chinese summary   <17>  西湖大学鞠峰、周南嘉等 | 基于3D打印的浓度梯度微流控芯片用于微生物的快速药敏检测

本研究论文聚焦微生物的快速药敏检测研究。抗生素耐药是目前全球公共卫生安全面临的一项严峻挑战。病原菌的耐药性加速进化增加了临床治疗多重耐药感染的用药难度与病人死亡率。及时得到微生物的抗生素药物敏感性结果对于临床多重耐药感染的精准诊断与用药治疗具有重要意义。这项研究中设计了基于流阻的微液滴芯片,结合应用刃天青生物指示剂可在5 h内指示微生物在不同浓度抗生素下的生长。该芯片有若干独立的截留腔室,可自动产生抗生素浓度梯度并形成独立的微液滴用于检测细菌药敏性。该芯片简化了控制操作和设备集成,相较于传统方法缩短了药敏检测时间,具有良好的应用前景。

Novel pneumatically assisted atomization device for living cell delivery: application of sprayed mesenchymal stem cells for skin regeneration

Lixing Zhang, Xintao Yan, Li An, Meijia Wang, Xi Xu, Zhonglin Ma, Mengting Nie, Fangzhou Du, Jingzhong Zhang & Shuang Yu

DOI: 10.1007/s42242-021-00144-5 Downloaded: 1233 Clicked: 894 Cited: 0 Commented: 0(p.220-232) <Full Text>

Chinese summary   <16>  中科院苏州生物医学工程技术研究所张丽星等 | 新型气动辅助雾化装置的制备及其递送细胞在皮肤组织再生中的应用

本研究论文聚焦新型气动辅助雾化装置的制备及其递送细胞在皮肤组织再生中的应用。大面积皮肤损伤已成为严重医疗问题,甚至威胁患者生命。近年来,局部干细胞治疗被认为是皮肤创面修复以及皮肤再生的有效治疗方法。但是,干细胞必须均匀地注入到创面,否则将影响治疗效果,分布不均是目前细胞给药方法的局限性。临床上大多数细胞喷洒装置的输送压力不可精确调控,喷嘴特性对细胞压力的影响尚不清楚,这可能会显著影响喷洒细胞的生存和增殖能力。本文开发了一种新型的气动辅助雾化装置(PAAD),该装置能在较低传递压力下,实现细胞悬浮液的均匀雾化。我们通过优化系统的液体压力和气体压力,最大限度地维持了多种细胞的生存活性和功能特点。此外,我们发现将喷洒的脐带间充质干细胞应用于伤口部位,可显著加速伤口愈合和促进皮肤附属器官再生。综上所述,新型气动辅助雾化装置能均匀地输送活细胞,并维持喷洒后细胞的活力和分化能力,这表明该装置具有极大的潜力应用于临床创面治疗,特别是针对大的,不规则的,以及严重的皮肤伤口。

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