Journal of Zhejiang University

Current Issue: <BDM>

ISSN: 2096-5524 (print version); ISSN: 2522-8552 (electronic version); started in 2018, quarterly; bimonthly since 2023

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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

2024 Vol.7 No.1 P.1-103

Cover:

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<<< CONTENTS >>>

Research Article

Research Article: Bionic lightweight design of limb leg units for hydraulic quadruped robots by additive manufacturing and topology optimization

Huaizhi Zong, Junhui Zhang, Lei Jiang, Kun Zhang, Jun Shen, Zhenyu Lu, Ke Wang, Yanli Wang & Bing Xu , Huaizhi Zong, Junhui Zhang, Lei Jiang, Kun Zhang, Jun Shen, Zhenyu Lu, Ke Wang, Yanli Wang & Bing Xu

DOI: 10.1007/s42242-023-00256-0 Downloaded: 4165 Clicked: 2811 Cited: 0 Commented: 0(p.1-13) <Full Text>

Chinese summary <29> 【封面文章】浙江大学机械工程学院张军辉、纵怀志等 | 基于增材制造和拓扑优化的液压四足机器人肢腿单元仿生轻量化设计

本研究论文聚焦于液压四足机器人的轻量化设计与运动性能评估。疾速奔跑的猎豹和灵活攀岩的山羊等均表现出卓越的运动能力，如何学习动物的运动机理，辅助人类在非结构化环境中开展作业成为研究热点。四足机器人应运而生，依靠其离散的落足点，进而可适应多种地形，被广泛应用于地形勘探、城市作战、物资运输等领域。其中，液压四足机器人凭借其出色的大负载搬运能力，在诸多场合备受重视。肢腿单元作为机器人基本的运动单元，直接决定机器人的动态性能。受猎豹等生物的骨骼肌肉系统的启发，本研究设计了一款高度集成、轻量化的伺服液压执行器，利用金属增材制造技术，实现集成多元件接口和内嵌流道的缸筒设计。针对活塞杆直接出力、异形结构难以开展轻量化设计的难题，创新提出混合晶格概念，将混合晶格结构填充在活塞杆中部，用定制的晶格结构替换更大的中空区域，实现性能定制。利用变密度惩罚法对大、小腿结构件进行拓扑优化，去除应力较小区域的冗余材料。优化后的肢腿单元质量降低了24.5%，优化后的肢腿单元表现出更好的动态性能：随着运动频率的增加，呈现出色的轨迹跟踪效果。本研究为液压足式机器人的轻量化设计和轻量化后的动态性能量化评价提供参考。

Research Article: Microarrow sensor array with enhanced skin adhesion for transdermal
continuous monitoring of glucose and reactive oxygen species

Xinshuo Huang, Baoming Liang, Shantao Zheng, Feifei Wu, Mengyi He, Shuang Huang, Jingbo Yang, Qiangqiang Ouyang, Fanmao Liu, Jing Liu, Hui-jiuan Chen & Xi Xie

DOI: 10.1007/s42242-023-00246-2 Downloaded: 4063 Clicked: 2152 Cited: 0 Commented: 0(p.14-30) <Full Text>

Chinese summary <26> 中山大学谢曦等 | 具有皮肤黏附性能的微箭头传感阵列，用于实现活体皮下葡萄糖与活性氧的连续同步监测

本研究论文围绕葡萄糖检测应用中微环境活性物质干扰、检测电极对皮肤组织贴附性不足等难题，通过激光微细加工技术设计并制备了带有箭头结构的微针电极。通过对贵金属保护层、电化学酶传感层与高分子限制层的修饰方法进行改进，分别开发了面向葡萄糖与活性氧检测应用的箭头微针传感电极，实现了对不同浓度的葡萄糖和H2O2高灵敏度、宽响应范围与良好重现性的特异性响应。基于降维加工集成技术开发了基于箭头微针的动态血糖/活性氧同步传感三维阵列（MASA），并验证箭头微针结构对组织粘附性与活体传感稳定性的提升。所设计的微箭头结构基于机械连锁作用与活体组织间的稳固连接，避免了化学粘合剂的潜在炎症反应，以提高传感器件与皮肤间信号通路的稳定性。进一步在活体动物上验证所开发器件的对活体皮下血糖和H2O2浓度的同步、连续监测性能，并基于H2O2检测结果辅助判定组织液中的炎症发生程度，评估葡萄糖检测结果受微环境活性物质干扰水平。最后，本论文设计并开发了一套可穿戴式的嵌入式电路，将微针传感阵列集成为箭头微针动态血糖/活性氧同步传感系统。文章的工作有利于解决活体检测中易受内源电活性物质干扰以及与皮肤组织的贴附性弱的问题，有望为糖尿病患者血糖波动的持续稳定监测提供辅助工具。

Research Article: A novel integrated microfluidic chip for on-demand electrostatic
droplet charging and sorting

Jinhui Yao, Chunhua He, Jianxin Wang, Canfeng Yang, Ye Jiang, Zhiyong Liu, Guanglan Liao & Tielin Shi

DOI: 10.1007/s42242-023-00257-z Downloaded: 4071 Clicked: 1991 Cited: 0 Commented: 0(p.31-42) <Full Text>

Chinese summary <25> 华中科技大学机械科学与工程学院廖广兰教授等 | 一种用于液滴按需充电与分选的新型集成微流控芯片

本研究论文聚焦于按需静电液滴充电与分选的微流控芯片研究。按需液滴分选技术被广泛应用于对单个细胞进行高效操作和全基因组分析。然而，目前用于液滴分选的微流控芯片仍然存在分选速度低、样本损失和准备过程耗时耗力等问题。本研究展示了一种新型微流控芯片的开发过程，芯片集液滴生成、按需静电液滴充电和高通量分选于一体，充电电极是一根埋在微通道喷嘴上方的细铜丝，偏转电极是微通道中的 PBS 缓冲液，大大简化了芯片的结构和制备工艺。芯片能进行高频液滴生成和分选，液滴生成频率达 11.757 kHz，芯片在液滴生成的同时，通过静电感应完成选择性充电过程，按需充电的微液滴可在三维偏转电场中任意移动到特定的出口通道。液滴偏转的通量因此显著提高。此外，本研究还提出了一种充电信号实时匹配的充电策略，通过实时监测液滴产生的频率，并将其反馈到充电信号中，从而将液滴偏转或收集的准确率从 97.49% 提高到 99.38%。本研究的工作为按需液滴分选提供了一种新的策略，在细胞分选和单细胞分析等生物医学领域应用广泛。

Research Article: Transfer film effects induced by 3D-printed polyether-ether-ketone
with excellent tribological properties for joint prosthesis

Yang Li, Jibao Zheng, Changning Sun & Dichen Li

DOI: 10.1007/s42242-023-00258-y Downloaded: 3679 Clicked: 2193 Cited: 0 Commented: 0(p.43-56) <Full Text>

Chinese summary <26> 西安交通大学机械工程学院李涤尘教授团队｜3D打印方向对聚醚醚酮人工关节材料的生物摩擦学性能影响

本研究论文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉积成型过程中打印方向对其生物摩擦学性能的影响规律研究。自然关节复杂的组织解剖结构和多样的力学环境使其易受创伤、疾病等因素影响，人工关节假体可以替代缺损部位，为患者消除疼痛和重建运动功能。PEEK在体内除了具有良好的生物相容性和稳定的理化性能，还具有匹配骨组织的力学强度和优异的耐摩擦性能，这使其成为新一代聚合物人工关节材料。3D打印为个性化人工关节假体提供了制备技术的支持，同时成型原理也决定了打印方向是影响其摩擦学性能的重要因素之一。本研究通过熔融沉积成型制备了具有不同打印方向的PEEK销，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盘组成摩擦副，在25%小牛血清润滑液中通过销盘实验研究摩擦学性能。通过磨损后的表面形貌和物相分析，发现了UHMWPE盘产生的磨屑转移到PEEK表面，形成牢固的转移膜。分析了转移膜的数量、尺寸与打印方向之间的关系，揭示了相近的材料特性、阶梯状的表面纹理和稳定的应力作用对转移膜形成的协同作用。在此基础上，以膝关节假体为例，提出了一种股骨单髁假体打印方向的分区设计路径：外层设计为同心圆路径，中间层设计为垂直线路径，内层设计为多孔路径，实现了耐摩擦、力学和骨融合性能的多功能设计。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦学性能之间的映射关系，并为关节假体的多功能性设计提出了一种新的打印策略。

Research Article: Constructing a biofunctionalized 3D-printed gelatin/sodium
alginate/chitosan tri-polymer complex scaffold with improvised
biological and mechanical properties for bone-tissue engineering

Amit Kumar Singh, Krishna Pramanik & Amit Biswas

DOI: 10.1007/s42242-023-00249-z Downloaded: 4315 Clicked: 4238 Cited: 0 Commented: 0(p.57-73) <Full Text>

Chinese summary <25> 印度Pramanik等 | 用于骨组织工程修复的具有改进生物学和力学性能的生物功能化三维打印明胶海藻酸钠壳聚糖三聚物复合支架

本研究论文聚焦用于骨组织工程修复的具有改进生物学和力学性能的生物功能化三维打印明胶/海藻酸钠/壳聚糖三聚物复合支架。海藻酸钠（SA）/壳聚糖（CH）聚电解质支架是组织工程应用的合适基质。本研究旨在进一步改善该类型支架的拉伸强度和生物特性，使其成为骨组织再生的潜在模板。作者实验添加了0% -15%（体积分数）明胶（GE），这是一种以蛋白质为基础的生物聚合物，已知具有促进细胞黏附、增殖和分化的作用。得到的三元聚合物复合体被用作生物墨水，通过三维（3D）打印制造SA / CH / GE基质。扫描电子显微镜的形态学研究显示了所有结构的微纤维多孔结构，其孔径范围为383-419微米。X射线衍射和傅立叶变换红外光谱分析显示了支架的非晶性以及聚合物功能团之间的强电荷作用，从而形成改善机械性能和结构稳定性的聚电解质复合物。支架表现出合适的降解速率、控制溶胀和亲水特性，有利于骨组织工程。由于增加了明胶，SA / CH支架的刚度提高，拉伸强度从（386±15）kPa提高到（693±15）kPa。增强的蛋白吸附和体外生物活性（形成磷酸钙层）确认了SA / CH / GE支架在组织再生过程中提供更高的细胞黏附和骨样环境的能力。体外生物评估包括MTT法、共聚焦显微镜分析和茜素红S酸化验显示了细胞黏附、细胞存活和细胞增殖的显著增加，进一步提高了支架表面的生物矿化。此外，含有15%明胶的SA / CH / GE被标记为SA / CH / GE15，表现出优异的性能，证明了其在骨组织工程中的潜力。

Research Article: Customized scafolds for large bone defects using 3D‑printed modular
blocks from 2D‑medical images

Anil A. Acar, Evangelos Daskalakis, Paulo Bartolo, Andrew Weightman, Glen Cooper, Gordon Blunn & Bahattin Koc

DOI: 10.1007/s42242-023-00259-x Downloaded: 3791 Clicked: 3203 Cited: 0 Commented: 0(p.74-87) <Full Text>

Chinese summary <25> 萨班哲大学Bahattin Koc等 | 使用2D医学影像进行3D打印模块化定制大骨缺损支架

本研究论文聚焦使用2D医学影像进行3D打印模块化定制大骨缺损支架。增材制造技术（AM）革新了组织工程应用中用于患者个体化、三维复杂多孔结构支架的设计和制造。先进的图像获取技术、图像处理和计算机辅助设计方法使得精确设计和增材制造解剖学符合患者个体情况的植入物和支架成为可能。然而这些复杂的技术可能需要花费大量时间、人力和金钱。此外，在紧急治疗时，对于创伤患者可能没有迅速获得必要的成像和制造设备。本研究提出了一种新颖的设计和增材制造方法，用于开发模块化和可定制的支架方块，以适应患者的骨缺损区域。这些模块化支架方块可以根据二维（2D）医学影像，快速组合成任何患者个体化支架，也能解决外科医生无法使用3D打印机或无法等待手术过程中冗长的3D成像、建模和3D打印的问题。该方法首先通过开发骨表面建模算法，根据2D医学影像测量重建患者骨骼模型，无需昂贵的3D成像或分割。该算法可生成患者个体化和平均骨模型。此外，还开发了一种仿生连续路径规划方法，用于根据2D数据或图像直接制造具有所需生物力学特性的多孔支架方块。作者应用该算法，设计的支架方块使用基于挤出的AM工艺进行了3D打印。同时提供指导和说明，以协助外科医生组装支架方块，实现患者个体化大骨缺损的自我修复。

Research Article: Semi-implantable device based on multiplexed microfilament
electrode cluster for continuous monitoring of physiological ions

Shuang Huang, Shantao Zheng, Mengyi He, Chuanjie Yao, Xinshuo Huang, Zhengjie Liu, Qiangqiang Ouyang, Jing Liu, Feifei Wu, Hang Gao, Xi Xie & Hui-jiuan Chen

DOI: 10.1007/s42242-023-00262-2 Downloaded: 3891 Clicked: 2372 Cited: 0 Commented: 0(p.88-103) <Full Text>

Chinese summary <26> 中山大学电子与信息工程学院陈惠琄谢曦等 | 半植入式多功能微丝电极簇连续监测生理离子

本论文聚焦于具有多种生理离子检测功能的传感器制备和应用研究。现代医学越来越依赖具有检测和分析生化物指标功能的先进传感器。基于电位计检测法的半植入式离子传感器是监测生物体内生理离子的一个有效平台。考虑到器件的生物相容性，用于多参数传感的微型半植入式电极对电极尺寸有更多限制。本研究报道了一种半植入式传感系统，由多功能微丝电极簇（MMEC）和印刷电路板组成，用于实时监测组织内的 K+、Ca2+ 和 Na+ 浓度。其中，体外研究证明了电极表面积对电位传感机制的影响较小，这表明使用微小的纤维状电极进行电位传感是可行的。此外，本研究验证了MMEC 装置具有广泛的线性响应（K+：2-32 mmol/L；Ca2+：0.5-4 mmol/L；Na+：10-160 mmol/L）、较高的灵敏度（约 20-45 mV/decade）、较好的长期稳定性（>2 周）以及良好的特异性选择性（>80%）等特性。最终，大鼠皮下实验及脑部实验结果表明，MMEC 系统在体内不同应用场景中仍能表现出良好的多离子监测性能。这项工作为持续实时监测体内不同环境中的离子波动提供了一个平台，对开发监测人体健康的智能传感器具有重要意义。