不要小看科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，方寸之間卻內(nèi)有乾坤。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的每個(gè)小火花，都可能照亮一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域。在這看似不起眼的空間里，蘊(yùn)藏著探索宇宙奧秘、解鎖自然和生命密碼的無限可能。

北京協(xié)和醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究所冷泠團(tuán)隊(duì)針對如何加速愈合凍傷傷口這一臨床難點(diǎn)，研發(fā)出一種可顯著加速傷口愈合、減少凍傷后早期炎癥的“藥物”。值得注意的是，該“藥物”是由實(shí)驗(yàn)室“種出”的人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞衍生的皮膚類器官結(jié)合水凝膠構(gòu)建而成。

依托綿陽高功率激光“神光Ⅲ(SGⅢ)原型”裝置，中國工程物理研究院激光聚變研究中心、廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系和北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出沖擊波，首次定量論證了實(shí)驗(yàn)室研究核坍縮超新星中輻射沖擊波傳播的可行性。

基于國際科技創(chuàng)新中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺科創(chuàng)熱榜每日榜單形成的一周科技記憶，我們推出《一周前沿科技盤點(diǎn)》專欄。今天，為大家?guī)淼?14期。

1、《Protein & Cell》丨播種并收獲“迷你版人體器官”，創(chuàng)新療法加速傷口愈合

明膠水凝膠包被皮膚類器官顯著加速凍傷創(chuàng)面無瘢痕愈合

凍傷久不愈合不僅會(huì)導(dǎo)致瘢痕形成，嚴(yán)重的皮膚凍傷患者需要截肢，甚至繼發(fā)惡性腫瘤，如何加速愈合凍傷傷口仍然是臨床難點(diǎn)。北京協(xié)和醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究所冷泠團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可顯著加速傷口愈合、減少凍傷后早期炎癥的“藥物”。該“藥物”由人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞衍生的皮膚類器官結(jié)合水凝膠構(gòu)建而成。

低溫寒冷侵襲所導(dǎo)致的損傷稱為凍傷，凍傷是寒冷季節(jié)、從事低溫下作業(yè)人員的常見急癥。目前常用的治療辦法仍以傳統(tǒng)的涂抹藥膏為主。對比普通的皮膚損傷，凍傷造成的損傷更加復(fù)雜、更難愈合，因此預(yù)防、早期診斷和積極治療至關(guān)重要。

隨著干細(xì)胞研究領(lǐng)域的發(fā)展，類器官研究也在不斷推進(jìn)。類器官的形成過程，簡單來說，就像是在實(shí)驗(yàn)室里“種植”出一個(gè)人體器官的迷你版。主要步驟包括準(zhǔn)備“種子”、“土壤”和“肥料”，一切準(zhǔn)備就緒后，進(jìn)行播種并培育。“種子”就是干細(xì)胞；“土壤”指的是適合干細(xì)胞生長和分化的環(huán)境，通常包括一個(gè)3D支架（如基質(zhì)膠等）；“肥料”則是促進(jìn)干細(xì)胞生長和分化的生長因子。將準(zhǔn)備好的干細(xì)胞“播種”到3D支架上，這些干細(xì)胞會(huì)在支架上開始生長和自組裝，研究人員添加各種生長因子，來模擬體內(nèi)細(xì)胞生長的環(huán)境，之后干細(xì)胞開始分化，形成不同類型的細(xì)胞，并按照特定的空間結(jié)構(gòu)排列，最終形成“迷你版”的功能性仿真器官——類器官。

研究團(tuán)隊(duì)利用人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培養(yǎng)出具有表皮及毛囊附屬器、真皮及脂肪和神經(jīng)系統(tǒng)的全層皮膚類器官，對二級凍傷進(jìn)行針對性治療。其研究發(fā)現(xiàn)，移植皮膚類器官可以顯著加速凍傷皮膚的傷口愈合。病理分析顯示，炎癥和血管損傷明顯改善，皮膚類器官移植促進(jìn)了受凍傷影響的皮膚組織中膠原蛋白表達(dá)的快速恢復(fù)。研究者還發(fā)現(xiàn)，與未接受治療的皮膚組織相比，接受皮膚類器官移植1天的皮膚組織中包括單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和朗格罕斯細(xì)胞在內(nèi)的免疫細(xì)胞比例有所降低，表明類器官治療可以調(diào)節(jié)由于損傷組織中炎癥細(xì)胞的反復(fù)激活而引起的過度炎癥反應(yīng)，從而抑制凍傷瘢痕的形成。

2、《Science Bulletin》丨實(shí)驗(yàn)室里“復(fù)刻”宇宙沖擊波，激光“點(diǎn)亮”超新星秘密

核坍縮超新星中的輻射沖擊波示意圖；實(shí)驗(yàn)室獲取的輻射沖擊波溫度、密度空間分布示意圖

近日，中國工程物理研究院激光聚變研究中心、廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系和北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了其在實(shí)驗(yàn)室天體物理輻射沖擊波方面的最新進(jìn)展。

輻射沖擊波普遍存在天體爆發(fā)現(xiàn)象中。對于核坍縮超新星而言，由于輻射自吸收難以獲得爆發(fā)過程的直接天文觀測、核坍縮超新星的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍不明確等原因，有必要在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造沖擊波并研究其傳播，通過可控定量化操作，為核坍縮超新星數(shù)值模擬提供參數(shù)校驗(yàn)。

研究團(tuán)隊(duì)在綿陽高功率激光“神光Ⅲ(SGⅢ)原型”裝置上，用能量為1600 ~ 2800 J的激光分別在1.2和1.9 atm的氙氣中驅(qū)動(dòng)沖擊波。利用背光照相圖像獲得了沖擊波的平均速度，并通過數(shù)據(jù)處理首次獲得了波后壓縮密度，與二維輻射流體程序模擬獲得的速度和壓縮密度符合較好。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合模擬得到的溫度，依據(jù)縮比定標(biāo)率，將其與核坍縮超新星模擬中的輻射沖擊波狀態(tài)進(jìn)行全面比較，結(jié)果完全吻合。該工作首次定量論證了實(shí)驗(yàn)室研究核坍縮超新星中輻射沖擊波傳播的可行性，為后續(xù)剖析爆發(fā)的時(shí)間序列演化，揭示和量化沖擊波能量耗散機(jī)制，以及檢驗(yàn)核坍縮超新星爆發(fā)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

3、《Materials Today》丨科學(xué)家“夢幻聯(lián)動(dòng)”，探尋聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)“最優(yōu)解”

聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)方法概圖

聲子超構(gòu)材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)指通過微結(jié)構(gòu)功能基元的設(shè)計(jì)，能夠?qū)ζ渲新暡?彈性波的傳播進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)新奇波動(dòng)特性的一類人工微結(jié)構(gòu)材料。它涵蓋了聲子晶體、傳統(tǒng)的亞波長聲學(xué)超材料和超表面等。在過去的三十年中，聲子超構(gòu)材料吸引廣泛關(guān)注，從頻散工程，到波前調(diào)控，甚至整個(gè)波場的任意構(gòu)建等大量復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象與功能方面均展現(xiàn)出了驚人的彈性波或聲波操縱能力。聲子超構(gòu)材料的核心問題之一就是如何合理地設(shè)計(jì)不同尺度/層級的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)需求的結(jié)構(gòu)-波相互作用。傳統(tǒng)的聲子超構(gòu)材料設(shè)計(jì)主要依賴直覺或經(jīng)驗(yàn)，但往往面臨設(shè)計(jì)空間不足、波動(dòng)特性或功能有限、缺乏系統(tǒng)性等問題。

對此，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院董浩文、天津大學(xué)汪越勝、美國羅文大學(xué)沈宸、香港理工大學(xué)成利、美國杜克大學(xué)Steven A. Cummer等多位科學(xué)家“夢幻聯(lián)動(dòng)”，共同發(fā)表前沿綜述文章，系統(tǒng)回顧了聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，全面梳理了聲子超構(gòu)材料的基本概念、內(nèi)涵、逆向設(shè)計(jì)方法論、逆向設(shè)計(jì)的聲子超構(gòu)材料與定制化波動(dòng)功能、及定制化聲子超構(gòu)材料的典型應(yīng)用等，對聲子超構(gòu)材料逆向設(shè)計(jì)的未來研究進(jìn)行展望。

4、這一腦脊接口的突破，為脊髓損傷患者帶來重新行走的希望

脊髓神經(jīng)根影像重建3D模型

作為連接大腦與外周神經(jīng)系統(tǒng)的“信息高速通道”，脊髓若受到損傷，大腦發(fā)出的指令就無法傳遞給肌肉，患者因此失去自主行動(dòng)能力。如何使脊髓損傷致癱患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，一直以來是醫(yī)學(xué)界重大難題。《中國脊髓損傷者生活質(zhì)量及疾病負(fù)擔(dān)調(diào)研報(bào)告2023版》顯示，中國現(xiàn)存脊髓損傷患者374萬，每年新增脊髓損傷患者約9萬人。如果讓癱瘓患者能站起來，將是從0到1的突破。

復(fù)旦類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民團(tuán)隊(duì)研發(fā)新一代用于脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設(shè)備，該項(xiàng)目獲2024年全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)，預(yù)計(jì)年底開展首例臨床試驗(yàn)。

如何精準(zhǔn)刺激脊髓神經(jīng)根，對下肢相應(yīng)肌群進(jìn)行交替激活，從而重建行走步態(tài)？加福民團(tuán)隊(duì)使用張江影像中心的3T磁共振成像設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計(jì)包含多種掃描序列的成像方案，并基于人工標(biāo)簽構(gòu)建自動(dòng)化重建算法模型，從而精確捕捉腰骶段脊髓神經(jīng)根結(jié)構(gòu)特征。相關(guān)數(shù)據(jù)和生成的個(gè)體化脊髓神經(jīng)根模型近期已開源，為神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域?qū)＜议_展脊髓神經(jīng)調(diào)控基礎(chǔ)研究提供支撐。

加福民團(tuán)隊(duì)采用紅外動(dòng)捕、肌電、慣性傳感器、足底壓力墊等多模態(tài)技術(shù)，構(gòu)建健康步態(tài)以及多種異常步態(tài)數(shù)據(jù)集，建立算法模型，實(shí)現(xiàn)跨人群、跨模態(tài)、跨類型的連續(xù)步態(tài)軌跡高性能追蹤，為腦脊接口技術(shù)奠定基礎(chǔ)。他們提出“三合一”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將三臺設(shè)備集成為一臺顱骨植入式微型設(shè)備，減小患者術(shù)后創(chuàng)口的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)采集與刺激一體化，對患者自主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控。這個(gè)方案可將解碼過程由體外轉(zhuǎn)入體內(nèi)，提高腦電信號采集穩(wěn)定性和效率，最終實(shí)現(xiàn)百毫秒級別的解碼速度和刺激指令輸出——正常人的反應(yīng)時(shí)間為二百毫秒左右，這意味未來，脊髓損傷患者的行走步態(tài)將更加自然流暢。

5、《SCIENCE CHINA Information Sciences》丨開掘ReSe2二維半導(dǎo)體高頻應(yīng)用新潛力

ReSe2的晶體結(jié)構(gòu)，基于1-3層ReSe2材料的納米機(jī)電器件，及此類器件的頻率設(shè)計(jì)規(guī)律和二維ReSe2晶體的楊氏模量提取。

二維半導(dǎo)體是指材料厚度在納米尺度（通常小于100納米）的半導(dǎo)體材料。這類材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子隧穿效應(yīng)等，這些特性使得二維半導(dǎo)體在構(gòu)建新型納米器件時(shí)具有顯著優(yōu)勢。ReSe2（二硒化錸）就是其中的典型代表，已在二維激光、晶體管和光電探測器等重要領(lǐng)域取得了一系列應(yīng)用進(jìn)展。

電子科技大學(xué)王曾暉、夏娟、朱健凱、徐博等科學(xué)家合作，通過干法轉(zhuǎn)移技術(shù)，制備了從單層到超百層的30余個(gè)圓形ReSe2鼓膜諧振，器件工作在高頻-超高頻范圍。在進(jìn)一步對器件諧振的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析后，研究人員們成功確定了二維ReSe2晶體的楊氏模量為110GPa，并確立了ReSe2納米機(jī)電器件的頻率設(shè)計(jì)規(guī)律。其成果有望為新型ReSe2納米器件的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)，并推動(dòng)二維ReSe2納米機(jī)電器件的發(fā)展。

6、《Science Advances》丨七千人MRI數(shù)據(jù)揭秘！神經(jīng)退行性疾病腦結(jié)構(gòu)特征新發(fā)現(xiàn)

正常老化、阿爾茨海默病(AD)和額顳葉癡呆(FTD)等神經(jīng)退行性疾病(或過程)具有交叉重疊的腦結(jié)構(gòu)表征，但各自卻有典型區(qū)別的臨床表現(xiàn)。近日，山東大學(xué)齊魯醫(yī)院與北京郵電大學(xué)合作，聯(lián)合國內(nèi)多家醫(yī)院揭示正常老化以及多種神經(jīng)退行性疾病的腦結(jié)構(gòu)特征表征，試圖回答“不同疾病(狀態(tài))之間的腦結(jié)構(gòu)特異性表征是什么？”“什么微觀因素導(dǎo)致了不同疾病(狀態(tài))的復(fù)雜臨床表型？”等一系列重要問題。

研究團(tuán)隊(duì)納入7000余例多中心、跨疾病數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)磁共振影像(MRI)，建立了可以表征腦結(jié)構(gòu)異常的新型腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，進(jìn)一步基于跨疾病、多組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探索了不同疾病的腦結(jié)構(gòu)異常模式。他們發(fā)現(xiàn)，老化呈現(xiàn)分布廣泛但程度輕微的腦結(jié)構(gòu)變化，而AD則呈現(xiàn)出典型的區(qū)域損傷，如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和皮下核團(tuán)，揭示了通過復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以更好地捕捉疾病特異性表征。

其研究進(jìn)一步探索了不同疾病腦結(jié)構(gòu)異常模式背后潛在的生物機(jī)制，結(jié)果顯示老化主要與離子運(yùn)輸變化相關(guān)，不同癡呆類疾病則與化學(xué)神經(jīng)遞質(zhì)異常相關(guān)，揭示了癡呆與老化生物過程的差異。此外，研究還揭示了不同癡呆類型之間的特異性，如AD主要與5-羥色胺系統(tǒng)相關(guān)，帕金森(PD)主要與多巴胺系統(tǒng)相關(guān)，為不同類型癡呆的特異性臨床表型提供了生物學(xué)依據(jù)，也為不同疾病提供潛在干預(yù)靶點(diǎn)。

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