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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2022 Vol.23 No.12 P.955-1046
Review
Review: Inkjet 3D bioprinting for tissue engineering and pharmaceutics
Deng-ke ZHAO, He-qi XU, Jun YIN, Hua-yong YANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200569 Downloaded: 2535 Clicked: 30402 Cited: 0 Commented: 7319(p.955-973) <Full Text><PPT> 1728
机构：1浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；2浙江大学，浙江省三维打印工艺与装备重点实验室，中国杭州，310058；3这些作者对本文的贡献相同
概要：生物3D打印具有通过层层叠加增材制造的方式构建所需载活细胞3D结构的能力。作为生物3D打印技术的重要组成部分，喷墨生物3D打印利用载细胞液滴作为基本单元，构造仿生组织或器官，以期用于替代人体损伤或病变的组织或器官。由于其优异的打印精度和准确性，喷墨生物3D打印目前已被广泛应用于组织工程和药物研发等领域。然而，尽管大量的应用已证明其在不同领域内的可行性和广泛适用性，喷墨生物3D打印仍然受限于生物材料的选择和打印工艺。本文针对喷墨生物3D打印，首先归纳总结了现有关键打印技术、可打印生物材料和其在组织工程和药学领域内的典型应用，进而对其面临的关键挑战和潜在解决方案进行讨论。
关键词组：喷墨生物3D打印；生物材料；体外组织模型；体内组织替代物；药物筛选
Research Articles
Hole-growth phenomenon during pyrolysis of a cation-exchange resin particle
Zheng-liang HUANG, Yun-bo YU, Qi SONG, Yao YANG, Jing-yuan SUN, Jing-dai WANG, Yong-rong YANG
DOI: 10.1631/jzus.A2200233 Downloaded: 762 Clicked: 907 Cited: 0 Commented: 4(p.974-987) <Full Text><PPT> 272
机构：1浙江大学，化学与生物工程学院,浙江省先进化学工程制造技术重点实验室,中国杭州,310027；2浙江大学，化学与生物工程学院，化学工程国家重点实验室,中国杭州，310027
目的：传统非催化气固反应模型无法用于解释离子交换树脂的热解过程。本文旨在探讨不同条件下管式炉反应器中阳离子交换树脂的热解模式，并研究反应气氛、反应温度和树脂结构对新型热解模式的影响规律。希望提出的中心孔扩展模式为非催化气固反应模型的验证和开发提供指导。
创新点：1.确定一种新的非催化气固反应，且该反应遵循中心孔膨胀模式；2.厘清中心空穴扩展模式的形成机理。
方法：1.通过实验分析及相关表征测试，研究反应气氛、反应温度和树脂结构对新型热解模式的影响规律；2.通过数值模拟和动力学角度（Flynn-Ozawa方法），分析磺酸基团的分解和转化动力学，厘清中心空穴扩展模式的形成机理；3.通过仿真模拟（COMSOL Multiphysics），初步模拟树脂颗粒在初始反应阶段的温度变化，为阳离子交换树脂热解新模式提供间接验证。
结论：1.确定了一种新的非催化气固反应，且该反应遵循中心孔膨胀模式；2.厘清了中心空穴扩展模式的形成机理，发现其主要与磺酸基团的反应路径有关；3.中心孔扩展模式因其规律的反应过程和可预测的反应位点，可为非催化气固反应模型的验证和开发提供指导。
关键词组：非催化气固反应；阳离子交换树脂；热解；中心扩孔；温差；转化
Yi SHEN, Jing-yu HU, Lun LU, Chao ZHU, Qi-le FANG, Shuang SONG
DOI: 10.1631/jzus.A2200440 Downloaded: 760 Clicked: 869 Cited: 0 Commented: 0(p.988-997) <Full Text><PPT> 251
1昆明理工大学， 省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室， 中国昆明市， 650500
2昆明理工大学生命科学与技术学院， 中国昆明市， 650500
3云南省灵长类生物医学重点实验室， 中国昆明市， 650500
4生物岛实验室， 中国广州市， 510005
5广州国家实验室， 中国广州市， 510005
摘要：尽管人们已经开发了多种构建人类多能干细胞的方法，但这些方法仍未应用在非人灵长类细胞中。在本文中，我们利用多样品标记单细胞测序技术对不同培养条件下的猴多能干细胞进行了分子特征的表征。结果表明，虽然用于重置人类干细胞的信号通路可以用来构建猴干细胞系，但其配方有待优化才能更好地维持猴干细胞多能性。总而言之，本研究证实了新型的人类干细胞培养体系可以转化到猴干细胞体系中，这对于未来猴干细胞系培养配方的探索具有指导意义。
关键词组：猴多能干细胞；多样品标记单细胞测序；原始态多能性；拓展多能性干细胞
Yan-hao FENG, Zi-tao YU, Jiang LU, Xu XU
DOI: 10.1631/jzus.A2200158 Downloaded: 784 Clicked: 1092 Cited: 0 Commented: 466(p.998-1012) <Full Text><PPT> 270
机构：1浙江大学，热工与动力系统研究所，中国杭州，310027；2浙江大学，清洁能源利用国家重点实验室，中国杭州，310027；3浙江科技学院，土木与建筑工程学院，中国杭州，310023；4中国计量大学，能源工程研究所，中国杭州，310018
目的：探讨室内和外墙中的湿缓冲效应对外墙最佳保温层厚度的影响，提高夏热冬冷地区外墙最佳保温层厚度的预测精度。
创新点：1.通过结合热湿耦合传递模型和室内热湿环境模型，构建考虑室内湿缓冲效应的最佳保温层厚度优化方法；2.获得室内湿缓冲对最佳保温层厚度的影响规律及与外墙湿缓冲的对抗关系。
方法：1.通过理论分析，构建水分从室外环境转移至室内环境时的外墙能量负荷，并得到最佳保温层厚度的优化方法（图1）；2.通过案例研究，得到气密性和室内热源对最佳保温层厚度的影响（图6）；3.通过优化方法间的对比，探讨室内湿缓冲和外墙湿缓冲对最佳保温层厚度的影响。
结论：1.室内湿缓冲效应对最佳保温层厚度的影响是围护结构外墙中湿缓冲效应的2.54倍，而且这两种湿缓冲效应对最佳保温厚度的贡献相反。2.在每小时换气一次（1 ACH）和100%正常热源条件下，南墙的最佳保温厚度可能被高估了2.13%~3.59%，而单面墙的年能量负荷可能被低估了10.10%~11.44%；在同属夏热冬冷地区的不同城市中，外墙湿缓冲的影响差异较大。3.气密性的降低和室内热源的增加会导致最佳保温厚度的轻微降低。
关键词组：保温层厚度优化；热湿耦合传递；室内水分缓冲；外墙；生命周期成本
Shuai SHAO, Kai-lin ZHANG, Yuan YAO, Yi LIU, Jun GU
DOI: 10.1631/jzus.A2200274 Downloaded: 942 Clicked: 906 Cited: 0 Commented: 0(p.1013-1026) <Full Text><PPT> 265
机构：1西南交通大学，牵引动力国家重点实验室，中国成都，610031；2苏州舜云工程软件有限责任公司，中国苏州，215100
目的：油量调节装置作为高速动车组齿轮箱的一个重要零部件，可实现不同油温环境下自动调节从动齿轮搅油的油位。本文旨在探讨油量调节装置在不同工作状态下对齿轮功率损失和各轴承润滑油量的影响，为定量评估齿轮箱润滑特性提供有效依据。
创新点：1.建立实际工况下高速动车组齿轮箱的高保真三维模型，并探讨油量调节装置的不同工作状态对齿轮箱润滑特性的影响；2.在齿轮箱各轴承位置设置监测环，并从各轴承的润滑油油量和覆盖率的角度分析轴承润滑特性。
方法：1.应用移动粒子半隐式（MPS）方法，对比分析油量调节装置的不同工作状态对齿轮箱润滑特性的影响；2.通过与德国齿轮研究中心（FZG）的试验结果进行对比，验证数值仿真方法的准确性和适用性；3.通过数值仿真，分析不同转速、不同浸油深度、不同油温等实际工况下的齿轮箱搅油功率损失和各轴承的润滑油油量。
结论：1. MPS方法非常适用于分析复杂结构的齿轮箱的润滑特性；2.齿轮功率损失和各轴承润滑油油量与齿轮转速、浸油深度和润滑油油温呈正相关；3.油量调节装置主要通过减少输出齿轮搅拌的润滑油油量来减少齿轮的功率损失和参与轴承润滑的润滑油油量。
关键词组：高速动车组；飞溅润滑；无网格移动粒子半隐式法；轴承润滑；搅油功率损失；油量调节装置
Fei LV, Jia YU, Jun ZHANG, Peng YU, Da-wei TONG, Bin-ping WU
DOI: 10.1631/jzus.A2200297 Downloaded: 788 Clicked: 1413 Cited: 0 Commented: 0(p.1027-1046) <Full Text><PPT> 268
机构：天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，中国天津，300350
目的：对钻进效率进行精确预测是制定土方开挖进度计划的关键。但现有预测方法多采用单个机器学习模型，存在参数敏感性和过拟合等问题，且往往忽略了环境因素和人员操作因素的影响。针对这些问题，本文提出一种同时考虑多种因素综合影响的新的集成学习预测方法。
创新点：1.建立一种基于Stacking集成学习的钻进效率预测模型；2.定量地考虑地质特性、人员操作、环境和机械特性等多种因素的综合影响；3.提出一种基于自适应步长策略的改进布谷鸟搜索优化方法，优化模型关键参数。
方法：1.通过多次对比实验，最终选择极值梯度提升（XGBoost）、随机森林（RF）和反向传播神经网络（BPNN）三个模型作为基学习器，支持向量回归（SVR）作为元学习器进行集成。2.建立基于自适应步长策略的改进布谷鸟搜索优化算法，对集成模型的Max_depth等超参数进行优化。3.将钻进效率值及相关影响因素的样本数据输入到每个基学习器中，得到相应的输出结果，再将预测结果作为元学习器的输入值，得到最终的预测结果。4.以中国西南地区某土石方工程为例，通过五折交叉验证方法，验证模型的鲁棒性，并采用五个常用评价指标评价模型的精度和泛化性能。
结论：工程应用结果表明，相比于目前流行的单个机器学习方法中预测性能最好的XGBoost和基于粒子群算法优化的Stacking集成模型，本文所提方法的平均绝对百分比误差（MAPE）分别提高了16.43%和4.88%。
关键词组：钻进效率；预测；土方开挖；Stacking集成学习；改进的布谷鸟搜索算法