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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:  <205>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Research Article

Alginate/gelatin/boron-doped hydroxyapatite-coated Ti implants: in vitro and in vivo evaluation of osseointegration

Ahmet E. Pazarçeviren, Zafer Evis, Tayfun Dikmen, Korhan Altunba?, Mustafa V. Yaprakç?, Dilek Keskin & Ay?en Tezcaner

DOI: 10.1007/s42242-022-00218-y Downloaded: 631 Clicked: 482 Cited: 0 Commented: 0(p.217-242) <Full Text>

Chinese summary   <12>  ä¸­ä¸œæŠ€æœ¯å¤§å­¦Ayşen Tezcaner等 | 海藻酸盐明胶硼掺杂羟基磷灰石涂层钛植入物骨融合的体外和体内评估

本研究论文在钛上制造了硼掺杂羟基磷灰石(BHT)负载的海藻酸/明胶基(A/G)水凝胶涂层,通过触发骨诱导、血管化和免疫调节支持骨融合。首先,研究人员制造了可重复性高的、易获取的和有时效性的BHT,它明显地促进了更高的成骨和血管生成成熟,同时仅观察到轻微的先天免疫反应。BHT的巨大潜力可通过在钛植入物上产生填充间隙的A/G/BHT间相来证明,通过模拟骨质细胞外基质来实现功能桥接并对先天免疫反应的过程进行控制。本文使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷对植入物表面进行氨基硅烷化,然后用0.25% w/v海藻酸盐与20 mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺进行涂层,使A/G/BHT预凝胶均匀地分散并共价地附着在表面上。预凝胶中加入0.2M的氯化钠,使BHT均匀地混合在结构中,而不引起离子交联。然后,将涂层植入物冷冻干燥并储存。涂层显示出较高的内聚力和粘合力,在室温和正常湿度下有8个月的保质期。A/G/BHT能够包覆不规则形状的钛种植体。成骨细胞和内皮细胞可以在A/G/BHT上茁壮成长,并显示出极大的成骨和血管生成能力。此外,A/G/BHT保持了巨噬细胞的增殖能力,并在可迅速解决的免疫反应期间快速增殖。最后,A/G/BHT被证明能在2个月内诱导兔子股骨软骨模型中植入物的牢固整合。因此得出结论,A/G/BHT涂层可以作为一个多功能库,促进金属植入物快速且强固的骨整合。

Bioinspired flexible piezoresistive sensor for high-sensitivity detection of broad pressure range

Meng Wang, Hao Zhang, Han Wu, Suqian Ma, Lei Ren, Yunhong Liang, Chunbao Liu & Zhiwu Han

DOI: 10.1007/s42242-022-00220-4 Downloaded: 361 Clicked: 451 Cited: 0 Commented: 0(p.243-254) <Full Text>

Chinese summary   <13>  å‰æž—大学马愫倩等 | 在宽压力检测范围内具备高灵敏度的仿生柔性压阻传感器

本研究论文聚焦于人类皮肤感知各种压力的能力。因此,在假肢或机器人系统中,有必要制备在宽测量范围内具有高灵敏度的压力传感器,以提供类似人类的触觉感知能力。在此,我们利用带有荷叶微图案的聚二甲基硅氧烷和多层叠加技术,研制了一种在宽压力范围内具有高灵敏度的柔性压阻式传感器。通过叠加四层微图案结构基底层,传感器实现了0-312 kPa的宽压力测量范围,2.525 kPa−1的高灵敏度,压力检测下限 <12 Pa和45 ms的快速响应时间。与传统的柔性压力传感器相比,该传感器的压力测量范围提高了至少一个数量级。柔性压阻式压力传感器还显示出高稳定性:经过至少1000次循环测试后,没有疲劳迹象。更重要的是,这些传感器可以潜在地应用于各种人体运动检测场景,包括微小脉冲监测、喉部振动检测和大型脚下压力传感。所提出的制造策略可以指导其他类型的多功能传感器的设计,以提高检测性能。

Multidrug dissolvable microneedle patch for the treatment of recurrent oral ulcer

Yuqiong Wang, An’an Sheng, Xinran Jiang, Shanshan Yang, Long Lin, Mingzhu Yang, Fengshuo Zhu, Yongyan Hu, Jian Li & Lingqian Chang

DOI: 10.1007/s42242-022-00221-3 Downloaded: 409 Clicked: 368 Cited: 0 Commented: 0(p.255-267) <Full Text>

Chinese summary   <14>  åŒ—航常凌乾、厦大附属翔安医院李健等 | 用于治疗复发性口腔溃疡的多药联合可溶微针贴片

本研究论文聚焦一种搭载三药联合的透明质酸可溶微针ROUMN,用于治疗复发性口腔溃疡(复发性阿弗他溃疡)。由于复发性口腔溃疡治病机理不明,现有疗法主要聚焦于改善症状、加速愈合。因此,药物的选择通常包括皮质醇、抗菌类、促愈合和镇痛类。然而,以常见的口腔贴片、药膏、喷雾或漱口水形式给药的治疗方式无法确保给药时长,导致治疗效果的削弱。


本研究筛选出固化后针尖成型度高、针体硬度好、微针基底韧性强的300 kDa透明质酸作为基质材料,其所制成的微针在刺入皮肤后10秒可完全溶解,且在相同载药量下,总释药量达到明胶/玉米淀粉微针的2倍。根据大鼠口腔溃疡模型订制的350 μm针长可以确保微针刺入溃疡的假性粘膜后直接给药到溃疡底部,在整个溃疡中达到均匀的药物分布。ROUMN采用了醋酸地塞米松、维他命C和盐酸丁卡因的药物组合,使微针贴片在镇痛的同时达到消炎、促愈合的治疗效果。实验表明,三药联合产生的抗炎效果显著高于单独使用地塞米松,对细胞的促增殖和迁移效果也显著高于单独使用维他命C。在对大鼠口腔溃疡模型的治疗中,ROUMN相比于临床常用药西瓜霜粉剂,可将愈合时间从7天缩短至5天。病理切片显示,经ROUMN治疗的口腔溃疡在第一次用药之后即表现出更快的修复速度,在第3天时已完成真皮层的修复,同时炎症反应也显著低于其他组。本研究为治疗复发性口腔溃疡的给药方式和药物组合提供了改善思路,也展示了ROUMN的高转化价值及应用前景。

Development of a portable reflectance confocal microscope and its application in the noninvasive in vivo evaluation of mesenchymal stem cell-promoted cutaneous wound healing

Lixing Zhang, Xin Miao, Meijia Wang, Aihua Shi, Jingwen Wang, Zhonglin Ma, Yunhai Zhang, Jingzhong Zhang & Shuang Yu

DOI: 10.1007/s42242-022-00223-1 Downloaded: 432 Clicked: 479 Cited: 0 Commented: 0(p.268-283) <Full Text>

Chinese summary   <13>  ä¸­ç§‘院苏州生物医学工程技术研究所张丽星等 | 便携式反射共聚焦显微镜的研制及其在体无创评价间充质干细胞促进皮肤伤口愈合中的应用

本研究论文聚焦便携式反射共聚焦显微镜的研制及其在体无创评价间充质干细胞促进皮肤伤口愈合中的应用。临床上通常通过组织学评估伤口愈合的过程,但这可能会导致瘢痕和继发性损伤。反射共聚焦显微镜(RCM)是一种非侵入式的实时成像技术,可在体对皮肤结构进行评估。传统的RCM是基于宽探针的,这限制了它在凹凸不平和被覆盖皮肤上的应用。本研究中,我们设计并制造了一台便携式反射共聚焦显微镜(PRCM),其中PRCM中的所有组件都被组装在手持外壳中。通过采用微机电系统(MEMS)减小了PRCM的尺寸和重量,但分辨率保持在0.91 μm,系统的视场为343 μm×532 μm。当在体使用时,PRCM能够可视化小鼠和人类皮肤的细胞和核形态。利用PRCM对局部应用间充质干细胞(MSCs)或生理盐水治疗伤口的愈合过程进行评估,可以观测到胶原束的形成,从伤口边缘到伤口中央上皮细胞的形成,以及毛囊再生,这与组织学评估结果相一致。因此,我们为实时监测局部应用间充质干细胞对伤口愈合过程的影响提供了新的方法。这项研究表明,新开发的PRCM是一种有前途的、可实时、无创监测伤口动态愈合过程的设备,也显示出它在临床伤口治疗中具有诊断、监测或预测疾病的潜力。

Gelatin-based hydrogel functionalized with taurine moieties for in vivo skin tissue regeneration

Farnaz Rahimi, Nima Ahmadkhani, Aida Goodarzi, Fariba Noori, Sajad Hassanzadeh, Sepideh Saghati, Mehdi Khanmohammadi & Arash Goodarzi

DOI: 10.1007/s42242-022-00227-x Downloaded: 384 Clicked: 487 Cited: 0 Commented: 0(p.284-297) <Full Text>

Chinese summary   <14>  ä¼Šæœ—Arash Goodarzi等 | 用于体内皮肤组织再生的硫酸牛磺酸功能化明胶基水凝胶

本研究论文聚焦用于体内皮肤组织再生的硫酸牛磺酸功能化明胶基水凝胶。功能化水凝胶可刺激内皮细胞(ECs)的迁移和形态发生,是有用的促创伤愈合基质。本文研究牛磺酸(Tau)共价结合在基于明胶的水凝胶上的可行性。该水凝胶预计可以在水凝胶靠近ECs的微环境内维持带正电的生长因子,如碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和血管内皮细胞生长因子(VEGFs)。明胶通过羟基酚(Ph)和Tau官能团共价结合,随后通过辣根过氧化物酶催化反应交联Ph残基。通过划痕迁移实验和微粒细胞迁移实验分析ECs的迁移特性。对封装细胞的细胞形态和Ang 1、bFGF和VEGF蛋白的数量进行评估。通过原始创伤大小的降低百分比和大鼠皮肤组织病理学分析来评估合成水凝胶在创伤愈合中的潜力。在共培养期间,水凝胶中包含的Tau分子通过共价键稳定。随着共培养时间的延长,共价结合Tau的明胶基水凝胶提高了迁移距离和现有迁移ECs的数量。固定在基于明胶的水凝胶中的Tau诱导ECs高度运动性,伴随着强有力的细胞骨架延伸和表达CD44和CD31受体的细胞亚群,以及Ang 1、bFGF和VEGF的增强。我们发现,注射用Gel-Ph-Tau有效地改善了创伤愈合参数。

Review

Designs and methodologies to recreate in vitro human gut microbiota models

Francesco Biagini, Costanza Daddi, Marco Calvigioni, Carmelo De Maria, Yu Shrike Zhang, Emilia Ghelardi & Giovanni Vozzi

DOI: 10.1007/s42242-022-00210-6 Downloaded: 679 Clicked: 428 Cited: 0 Commented: 0(p.298-318) <Full Text>

Chinese summary   <12>  æ¯”萨大学Giovanni Vozzi等 | 重建体外人类肠道微生物群模型的设计和方法

本综述论文聚焦人体肠道菌群体外重构中的设计思路实现方法。人类肠道微生物群被广泛认为是隐藏在我们体内的一个代谢器官,在宿主的生理学中起着至关重要的作用。有几个因素会影响其组成,因此,世界人口中存在着多种肠道微生物。人体微生物组成的过度失衡通常与人类疾病和病理有关,需要新的研究策略来深入了解这些病理并确定药物治疗方法。人体肠道微生物群的体外模型通常用于研究微生物发酵模式、群落组成和宿主微生物相互作用。生物反应器和微流体装置已被设计为在有/无与之相互作用的真核细胞的动态环境中培养来自人类肠道微生物群的微生物。在这篇综述中,我们将全面描述创建人体肠道微生物群的功能以及可复制和准确的体外培养所需的因素。此外,我们将分析目前用于研究发酵过程以及人体肠道微生物群与宿主真核细胞之间关系的一些设备。

Organoids revealed: morphological analysis of the profound next generation in-vitro model with artificial intelligence

Xuan Du, Zaozao Chen, Qiwei Li, Sheng Yang, Lincao Jiang, Yi Yang, Yanhui Li & Zhongze Gu

DOI: 10.1007/s42242-022-00226-y Downloaded: 435 Clicked: 451 Cited: 0 Commented: 0(p.319-339) <Full Text>

Chinese summary   <12>  ä¸œå—大学杜轩等 | 揭示类器官:使用人工智能对影响深远的下一代体外模型进行形态分析

本综述论文聚焦利用人工智能对影响深远的下一代体外模型进行形态分析。在现代术语中,类器官是指在体外特定三维(3D)环境中生长的细胞,与它们的源器官或组织具有相似的结构。通过显微镜观察类器官的形态和生长特征是类器官分析的常用观察方式。然而,仅依靠劳动力来筛选和分析类器官是困难、耗时和不准确的,而传统技术无法很好地解决这一问题。人工智能(AI)技术的应用已经在许多生物学和医学研究领域证明了其有效性,特别是在单细胞或H/E染色组织切片的分析中。扩展到分析类器官,人工智能还应提供更高效、定量、准确和快速的解决方案。在这篇综述中,首先简要概述类器官的应用领域,然后讨论传统类器官测量和分析方法的缺点。其次,概述了从机器学习到深度学习的发展以及后者的优势,接着描述如何利用卷积神经网络来解决类器官观察和分析中的挑战。最后,讨论目前人工智能在类器官研究中的局限性,并探究机遇和未来的研究方向。

Mechanical stimulation devices for mechanobiology studies: a market, literature, and patents review

F. Melo-Fonseca, O. Carvalho, M. Gasik, G. Miranda & F. S. Silva

DOI: 10.1007/s42242-023-00232-8 Downloaded: 592 Clicked: 413 Cited: 0 Commented: 0(p.340-371) <Full Text>

Chinese summary   <11>  è‘¡è„牙米尼奥大学Melo-Fonseca等 | 用于力学生物学研究的机械刺激装置:市场、文献和专利综述

本综述论文聚焦用于力学生物学研究装备,分析了其科研、市场现状,并探讨了其可能的未来发展方向。各种研究和技术领域的重大进步促成了对人体生理动力学的显著发现。为了更准确地模拟复杂的生理环境,研究已从二维(2D)培养系统转向更复杂的三维(3D)动态培养。与生物反应器或基于微流体的培养模型不同,细胞通常接种在聚合物基质上或载入3D打印结构中,并对这些结构施加机械刺激以研究细胞对机械应力(例如拉伸或压缩)的反应。本综述侧重于目前市场上可用的或由研究团队定制或受专利保护的机械刺激装置的工作原理,并强调了仍有待改进的主要功能。这些功能可以用于在未来进行更可靠和准确的机械生物学研究。

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