Journal of Zhejiang University

Current Issue: <BDM>

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, Bimonthly

2023 Vol.6 No.1 P.1-97

Cover:

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<<< CONTENTS >>>

Research Article

Microcapillary cell extrusion deposition with picolitre dispensing
resolution

Saeed Fathi, Iek Man Lei, Yang Cao & Yan Yan Shery Huang

DOI: 10.1007/s42242-022-00205-3 Downloaded: 751 Clicked: 810 Cited: 0 Commented: 0(p.1-11) <Full Text>

Chinese summary <30> 剑桥大学Saeed Fathi等 | 具有皮升级别精度的微毛细管细胞挤出打印

本研究论文聚焦单细胞精度生物3D打印工艺技术。基于挤出式方法的细胞沉积技术已成为一种重要的技术，它可以扩展生物打印应用。然而，纳升或更高数量级的打印精度一直限制着挤出式打印。虽然所获得的好处仍不明确，将打印精度提高到单个细胞精度的需求推动了精准挤出的发展。这里，在原位成像技术的帮助下，我们通过具有皮升精度的微毛细管尖端在空气中或浸入条件下的挤出方法，探究该过程中细胞组织的动力学。我们通过在不混溶介质中的产生着色墨水液滴的方法来证明这套名为“Picodis”的微毛细管挤出装置。接下来，使用3T3成纤维细胞作为实验模型，展示了细胞悬浮液和预聚集细胞颗粒的挤出沉积。然后，描述了微毛细血管尖端内细胞的动态组织，以及在离开尖端开口时细胞的排出和沉积。通过视觉辅助方法，揭示了当细胞分散在培养基中时，其独特的基于流量剖面的运动，该运动仅仅受到狭窄尖端内的层流流动驱动。研究中，主要的工艺限制是细胞沉降、聚集和挤压，以及含有的气泡。虽然使用皮升级精度微毛细管挤出能在某种程度上控制少量细胞，但是在需要特定数量的细胞时，这种方法不一定可靠。我们的研究提供了针对高精度细胞墨水挤出时受到的工艺限制的见解，这可能有助于优化生物医学研究中对载细胞结构制造的工艺。

Three-dimensional kagome structures in a PCL/HA-based hydrogel scaffold to lead slow BMP-2 release for effective bone regeneration

Se-Hwan Lee, Kang-Gon Lee, Jaeyeon Lee, Yong Sang Cho, Min-Soo Ghim, Soojin Kim, Su-Jin Heo, Yongdoo Park, Young-Sam Cho & Bu-Kyu Lee

DOI: 10.1007/s42242-022-00219-x Downloaded: 963 Clicked: 871 Cited: 0 Commented: 0(p.12-25) <Full Text>

Chinese summary <27> 高丽大学Park等 | 聚己内酯/透明质酸水凝胶打印的三维kagome结构支架使BMP-2缓慢释放以实现有效的骨再生

本研究论文聚焦聚己内酯/透明质酸水凝胶打印的三维kagome结构支架使BMP-2缓慢释放以实现有效的骨再生。在骨病中，在移植部位周围没有骨组织或骨组织状况不佳的情况下，骨传导功能非常低。因此，临床治疗需要骨传导性和骨诱导性方面的有效骨移植。最近，三维（3D）kagome（截半六边形镶嵌）结构的机械性能被证明有利于骨组织再生。在这项研究中，研究人员使用3D打印技术制造了含有透明质酸（HA）基水凝胶的聚己内酯（PCL）kagome结构支架。用大鼠颅骨皮下模型在体内评估水凝胶在支架中的保留能力3周，并将结果与使用含有HA基水凝胶的常规3D打印PCL网格结构支架，还有块状HA基水凝胶获得的结果进行比较。通过体内成像系统分析进一步评估了kagome结构支架中残留的水凝胶。为了进一步增强kagome结构支架的骨诱导性，制备了含有HA水凝胶的骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的PCL kagome结构支架，并将其植入兔的颅骨缺损模型中16周。通过H&E、Masson的三色染色和显微CT图像分析评估骨再生特征。

Design, fabrication, and structural safety validation of 3D-printable biporous bone augments

Yeokyung Kang, Dasol Lim, Doo-Hoon Sun, Jong-Chul Park & Jungsung Kim

DOI: 10.1007/s42242-022-00214-2 Downloaded: 829 Clicked: 931 Cited: 0 Commented: 0(p.26-37) <Full Text>

Chinese summary <26> 韩国Jungsung Kim等 | 可三维打印的双孔结构骨增量装置的设计、制造和结构安全性验证

本研究论文设计、制造了一种新型骨增量装置并对其进行安全性验证。对于有严重骨缺损的患者，使用商业产品如髋臼杯和衬垫进行全髋关节置换手术，失败的可能性很大。对于这些患者，单靠髋臼杯不能覆盖骨缺损处，因此需要额外的骨增量装置或固定支架。本研究设计了可三维（3D）打印的骨增量装置，作为使用固定支架手术的替代方案。该增量装置具有双孔结构，以减轻整体重量并促进骨生长，同时利用两种框架来防止对多孔结构的损害，并在打印过程中保持整体稳定性。此外还设计了两种类型的孔，以便在不同角度固定假体。本研究3D打印了35个不同大小的具有尖锐边缘的骨增量装置，并对有限元分析结果最不理想的试样进行疲劳测试，结果证实了试样在5340 N载荷下的结构稳定性。在实验中测得试样的孔隙率为63.70%，但孔隙率测试是局部随机进行的，因此不能证明孔隙率是均匀分布的。综上所述，本研究提出了能够通过成角螺丝孔和底面螺丝孔双向和不同角度进行连接的3D打印双孔骨增量装置。该装置的力学试验结果表明其结构安全性良好。然而，更深入的研究该装置的临床应用依然是必要的。

Junction matters in hydraulic circuit bio-design of microfluidics

Yao Lin, Dongliang He, Zerui Wu, Yurou Yao, Zhanhao Zhang, Yuheng Qiu, Shan Wei, Guangzhu Shang, Xingyue Lei, Ping Wu, Weiping Ding & Liqun He

DOI: 10.1007/s42242-022-00215-1 Downloaded: 811 Clicked: 792 Cited: 0 Commented: 0(p.38-50) <Full Text>

Chinese summary <27> 中国科学技术大学何立群等 | 基于微流控输运网络节点阻力特征的微流控芯片精准设计方法

本研究论文聚焦基于微流控输运网络节点阻力特征的微流控芯片精准设计方法。微流控通道内流体的流动特征为层流，故通道内压降与流量呈线性相关，其比值称为阻力，取决于通道的尺寸与动力粘度。通常，微流控芯片设计方法类似于电路设计，主要关注直管段尺寸布置。其实，水力网络设计与电路设计略有不同。体现在节点上，电路局部电压损失可以忽略不计，但流体局部压降相对于直管段压降不能忽略。本文着重解决常见节点局部阻力计算方法，通过数值计算建立了微流体局部阻力构件库。据此，建立了模块化的微流控芯片设计方法。我们设计几组实验检验所建立的方法。其中，通过阿霉素刺激内皮细胞后观察和分析内皮细胞的反应来进行最终的判断。结果表明，考虑局部阻力后，微流控芯片分配组分的精度获得极大提高，表明在设计中考虑局部阻力是十分必要的。本文所建立的设计方针有助于微流控芯片更加准确地用于单分子水平的分析与检测，甚至设计更为精准的器官芯片。

Review

Novel structural designs of 3D-printed osteogenic graft for rapid angiogenesis

Weiying Lu, Yang Shi & Zhijian Xie

DOI: 10.1007/s42242-022-00212-4 Downloaded: 788 Clicked: 840 Cited: 0 Commented: 0(p.51-73) <Full Text>

Chinese summary <25> 浙江大学谢志坚等 | 促进3D打印成骨移植物内血管快速生成的创新结构设计

本综述论文聚焦于3D生物打印促进骨再生中的结构和血运重建之间的关系。由于血运重建的困难，大段骨缺损的再生一直被认为是一个具有挑战性的临床问题。同时骨缺损在临床的常规治疗中存在着一些缺点，例如二次伤害、免疫和潜在感染。然而，3D打印技术可以作为一种有效的方法来实现令人满意的血管再生，同时弥补上述局限性。在3D打印支架的设计过程中，可以使用多种方法来促进血液供应。重要的是，支架结构为整个印刷物体奠定了基础；任何促进血管生成的方法只有基于精心设计的支架才能有效。本文通过收集近年来的文献，总结了与血管生成相关的不同设计，并将其分为四大类进行详细讨论，从基本的多孔支架到最先进的类骨支架。最后，通过对上述结构的分析，提出了实现快速血管生成的结构设计建议，希望能为未来3D打印实现骨缺损修复和再生提供参考。

Technical Note

Facile suspension culture protocol of the liver biliary organoids

Jin Chen, Jiting Zhang, Li Yang & Bing Zhao

DOI: 10.1007/s42242-022-00213-3 Downloaded: 732 Clicked: 776 Cited: 0 Commented: 0(p.74-81) <Full Text>

Chinese summary <25> 复旦大学赵冰等 | 人胆道类器官的简易悬浮培养方案

本Technical Note聚焦胆道类器官的新型培养方式——悬浮培养。类器官是细胞在体外自组装或保留源结构形成的3D培养物。类器官较好地保留源结构的特性与功能，正成为生物基础研究、医学乃至环境生物学等多领域的热点。胆道类器官是来源于胆道的类器官。胆道类器官是研究肝胆疾病的良好模型，同时小鼠和离体人源肝脏模型均显示：胆道类器官能再生部分胆道，具有再生潜能。此外，胆管细胞可转化生成肝实质细胞；因此胆道类器官有望作为肝实质细胞来源候选库，应用于肝实质细胞疗法，缓解临床肝脏移植供体短缺的压力。胆道类器官的各项应用需要类器官培养量的支持。常规培养胆道类器官的方式是将类器官包埋于基质胶内，再覆没培养基，即静态培养。静态培养难以实现规模化，且操作相对冗杂。在本次研究中，我们将基质胶与培养基混合，形成基质胶悬液，构建了胆道类器官的悬浮培养方案。结果显示，悬浮培养能维持两种胆道类器官（成人胆管类器官HBD和人胚胆囊类器官FGO）的正常增殖，保留特性，在增殖能力和培养容量上更具优势。该方案有望实现胆道类器官的规模化培养，对接胆道类器官的多样应用前景。

An innovative orbital implant positioner for the proper restoration of eye-socket defects

Marco Mandolini, Agnese Brunzini, Manila Caragiuli, Alida Mazzoli & Mario Pagnoni

DOI: 10.1007/s42242-022-00217-z Downloaded: 642 Clicked: 583 Cited: 0 Commented: 0(p.82-89) <Full Text>

Chinese summary <23> 意大利Marco Mandolini等 | 用于正确修复眼窝缺损的创新眼眶植入物定位器

本Technical Note聚焦采用3D打印技术制造的创新植入物定位器设计与临床应用。眼眶壁和眶底的骨折必须适当处理，以避免出现严重疾病。这导致解剖重建工作特别具有挑战性：主要问题是植入物在眼窝上的正确形状、放置和方向。现有的新定制植入物成型模具，可用于塑造患者特定的植入物。然而，它仍然没有解决植入物在骨折的眶腔中的定位。本研究旨在设计、开发和评估一种创新的种植体定位器，以与上述种植体成形模具的优化版本一起使用。新的医疗器械将与钛网和去抗原骨植入物配合使用，具有易于使用、成本低，并且可以多次重复使用的优点。它由两个耦合和铰链手柄组成，用于抓取植入物，以及定位器本体，用于将植入物正确地放置和定向。本研究采用激光烧结技术在聚酰胺中打印模具和新器械。在种植体成形、定位和定向精度方面获得了良好的结果。植入物形状及其在中外侧方向的位置分别实现了0.1 mm和1.3 mm的精度，围绕眶缘的平均旋转不良角约为6°。

High-efficiency 3D cell spheroid formation via the inertial focusing effect in rotating droplets

Tan Tang, Peipei Zhang, Yanran Wei, Hongxing Jia, Lin Feng & Ye Xu

DOI: 10.1007/s42242-022-00211-5 Downloaded: 639 Clicked: 693 Cited: 0 Commented: 0(p.90-97) <Full Text>

Chinese summary <25> 北航徐晔等 | 基于旋转悬滴中惯性流的粒子聚集效应高效制备三维细胞模型

本Technical Note聚焦利用旋转悬滴中惯性流的粒子聚焦效应快速制备三维细胞模型的方法。三维细胞培养技术是体外生物研究的重要工具，近年来得到不断发展。但是现有三维细胞培养技术仍然存在制备时间长、模型均一性差、尺寸不可控的问题。在本次研究中，我们利用惯性流的粒子聚焦效应开发了一种简单又高效的三维细胞模型制备方法。这种方法可以将三维细胞模型的制备时间缩短到12小时，与传统方法相比明显提升了制备效率。由于惯性流的粒子聚焦效应，悬液中的细胞首先被快速聚焦到底部，极大地提高了在后续培养中形成单一细胞球的效率。我们可以改变悬液中的细胞数量，来调控所制备细胞模型的尺寸。另外，改变悬滴的形状可以制备出不同形状的三维细胞模型。利用这种方法，我们开发了三种细胞共培养模型来模拟体内细胞与外环境相互作用的不同状态。为了验证方法的实用性，我们使用该方法制备三维肿瘤球进行抗癌药物检测和毛囊干细胞球进行干细胞分化实验。本文介绍的方法有望在药物筛选、组织工程和生物医学研究中发挥重要作用。