来源：材料人

1. 通过无线网络、植入可吸收仪器的闭环控制临时电疗法的工程框架

美国西北大学Yeon Sik Choi和Hyoyoung Jeong等研究人员提出了一种包含时间同步的无线网络皮肤集成仪器和可吸收起搏器的瞬时闭环控制系统，用于控制心率，跟踪心肺状态，提供多触觉反馈。短暂的手术可最大限度减轻患者负担。在老鼠、犬和人类心脏实验的结果证明了这个系统具有自动控制、频率自适应的心脏起搏等一系列能力。这项工作建立了通过无线网络、植入可吸收仪器的闭环控制临时电疗法的工程框架。该闭环控制系统包含七个关键部件：(i) 临时、可吸收以及可拉伸的心外膜起搏器；(ii) 可生物吸收的类固醇洗脱界面（激素电极），最大程度减轻炎症和纤维化；(iii) 皮下可生物吸收的能源接收单元；(iv) 一套柔软的皮肤表面传感器，用于患者生理机能监测时捕捉心电图(ECGs)、心率(HR)、呼吸信息、体能信息和电脑血液动力学；(v) 将能量传输给能源接收单元无线高频模块；(vi) 通过机械振动进行联系的柔软的皮肤表面触觉致动器；(vii) 用于实时可视化、储存和分析数据的手持自适应控制装置。相关研究成果以“A transient, closed-loop network of wireless, body-integrated devices for autonomous electrotherapy”为题发表在Science上。

2. NeuroString ——组织模拟、可拉伸、神经化学生物传感器

近日，斯坦福大学鲍哲南教授联合陈晓科教授介绍了一种称为 NeuroString 的组织模拟、可拉伸、神经化学生物传感器，它是通过将金属络合聚酰亚胺激光图案化成嵌入弹性体中的互连石墨烯/纳米粒子网络来制备的。NeuroString 传感器允许在行为小鼠的大脑中进行长期的体内实时、多通道和多路复用单胺传感，以及测量肠道中的血清素动态，而不会产生不希望的刺激和扰动的蠕动运动。相关成果以“A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut”为题发表在Nature上。该传感器进一步的开发将致力于使用微加工/纳米加工提高传感器的空间分辨率，通过结合不同的分子识别探针来提高其选择性和多重性，并最终将其与无线电子设备集成并验证其长期植入性能。结合石墨烯表面化学提供的优异机械性能和化学传感的多功能性，预测 NeuroString 平台将很容易适应研究灵长类动物全身各种信号生物分子和电生理信号的动力学。

3. 拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合材料

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室傅正义院士团队Hang Ping、德国马普所胶体与界面研究所Peter Fratzl团队Wolfgang Wagermaier等联合报道了一系列基于锶和钙矿物，并从中观测它们的沉淀会导致胶原原纤维收缩，高达几兆帕的应力，应力大小取决于矿物材料的类型和数量。通过in-operando同步辐射X射线散射，研究人员分析了矿物沉积动力学。当矿物质仅在原纤维外沉积时不发生收缩，而原纤维内矿化则会产生原纤维收缩。这种化学-机械效应发生在胶原蛋白完全浸入水中时，并产生拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合材料，这使人联想到钢筋混凝土的原理。该论文以题为“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”发表在知名期刊Science上。

4. 可用作灵敏的类似人类耳朵的织物

麻省理工学院Yoel Fink教授（通讯作者）等人受听觉系统的启发，介绍了一种可用作灵敏的类似人类耳朵的织物，同时保留织物的传统特质，例如可机洗性和悬垂性。其中，织物介质由棉纱中的高杨氏模量纺织纱组成，将可听频率下10-7大气压力波转换为低阶机械振动模式。同时，将热拉伸复合压电纤维织入织物，与织物相吻合，并将机械振动转换为电信号。更加重要的一点是，光纤灵敏度的弹性包层，它将机械应力集中在压电复合材料层中，该层具有大约46皮库仑/牛顿的高压电电荷系数，这是热拉伸过程的结果。响应激励的电输出和空间振动模式的同时测量表明，具有纳米振幅位移的织物振动模式是纤维电输出的来源。纤维占织物体积的0.1%以下，单根光纤拉线可实现数十平方米的织物麦克风。三种不同的应用证明了这项研究的有用性：具有双声学纤维的机织衬衫测量声脉冲的精确方向，在用作声音发射器和接收器的两种织物之间建立双向通信，以及听诊心脏声音信号的衬衫。

相关研究成果以“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”为题发表在Nature上。

5. 非常规的带通滤波器材料—粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器

韩国成均馆大学Tae-il Kim教授团队基于蜘蛛体内的粘弹性角质层垫—选择性地去除动态机械噪声伪影，提出了一种非常规的带通滤波器材料—粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器。水凝胶表现出与频率相关的相变，即产生衰减低频噪声的橡胶态和传输所需高频信号的玻璃态。这种适应性强的滤波器，能够从患者那里采集高质量的信号，同时最大限度地减少先进生物电子学的信号处理。该论文以题为“Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics”发表在知名期刊Science上。使用粘弹性材料的选择性频率阻尼可最大限度地减少机械噪声，并能够在嘈杂的条件下检测具有高SNR的生物生理信号。与机械噪声中断后的信号处理相比，材料本身的选择性频率阻尼将更有效地获得清晰的信号。在各种环境条件下，按需设计弛豫时间的策略变得至关重要，需要在未来的工作中进一步改进。对于温度控制，则可能需要在整个设备中增加额外的设备，并且皮肤可能会受到影响。研究团队建议，与刚性可穿戴电子产品相比，可以用粘弹性软材料加速不需要信号处理步骤的软生物电子设备的实时应用。

6. 具有高延展性的纤维蛋白材料Sbp5-2

据中科院官网报道，5月18日，中国海洋大学海洋生命学院海洋生物遗传与育种教育部重点实验室方宗熙萨斯研究中心刘伟治团队与中国科学院深圳先进技术研究院钟超团队/刘志远团队，在《自然-通讯》（Nature Communications）上，在线发表了题为Extensible and self-recoverable proteinaceous materials derived from Scallop Byssal Thread的论文。该成果是扇贝足丝蛋白仿生材料研究领域的重要进展。生物仿生材料是材料领域的研究热点和难点。多年来，为弥补当前组织修复材料、柔性传感器和可穿戴设备材料在湿环境下延伸性差、恢复性差等不足，科研团队聚焦于湿环境下具有高延展性的扇贝足丝的研究，克服了天然材料提取表征困难等技术难题，在扇贝足丝蛋白中首次报道了一种具有高延展性的纤维蛋白材料Sbp5-2，并联合开展了材料组装机制及应用研究。该研究加深了对蛋白基海洋生物材料组装分子机制的认识，为未来开发具有自主知识产权的新型海洋生物医用生物材料奠定了基础。研究对扇贝足丝结构和机械性能进行表征发现，其在湿环境下延伸性能可达327±32%，超过多数天然的生物纤维。研究观察足丝纤维部微观结构发现，足丝纤维由折叠的片层组成，且富含β-sheet结构。基于多组学技术在足丝纤维部筛选出关键蛋白组分Sbp5-2，该蛋白具有显著的序列特点即含有多个重复模块（TRM）且富含Cys。蛋白纤维e-rTRM7具有良好的细胞相容性，且在作为应变传感器和电生理信号传输电极方面颇具应用潜力。北京航空航天大学、清华大学，上海同步辐射光源的科研人员参与研究。部分成果已申请新材料专利。

7. 磁场诱导磁性纳米颗粒自组装实现螺旋神经元细胞在体外二维环境中的多方向定向调控生长

据东南大学官网报道，2022年6月1日，东南大学首席教授柴人杰团队在国际著名期刊NanoToday (IF=20.722)上在线发表了题为“Controllable growth of spiral ganglion neurons by magnetic colloidal nanochains”的研究论文，在此项研究中，研究人员通过磁场诱导磁性纳米颗粒自组装形成多方向磁性纳米线材料，实现了螺旋神经元细胞在体外二维环境中的多方向定向调控生长，并通过RNA-seq技术在转录水平揭示了磁性纳米线材料调控螺旋神经元细胞定向生长的作用机制。柴人杰教授课题组助理研究员夏林，博士生马翔宇为本论文共同第一作者，柴人杰教授为本论文最后通讯作者。基于干细胞的神经通路再生修复已成为治疗感音神经性聋等神经退行性疾病的重要方法，目前，多种生物材料已被开发并应用于调控新生神经元细胞的定向生长。然而，目前所应用的生物材料通常只能够对新生神经元细胞进行单方向定向调控生长，并不适合神经通路蜿蜒复杂的结构，并且其潜在的调控机制尚未明确。因此，柴人杰教授团队基于磁性纳米颗粒在磁场诱导下的自组装行为设计出具有多方向特征的磁性纳米线材料，并实现螺旋神经元细胞在体外二维环境中的多方向定向调控生长。同时，柴人杰教授团队通过RNA-seq技术在转录水平揭示了磁性纳米线材料调控螺旋神经元细胞定向生长的作用机制。此项成果对于通过调控新生神经元细胞定向生长修复神经通路，从而治疗神经退行性疾病具有重要意义。

8. PCK2-糖酵解信号通路调控细胞外基质硬度促进骨再生

据北京大学口腔医学院官网报道，2022年3月30日，北京大学口腔医（学）院修复科周永胜教授研究团队在国际权威期刊《生物活性材料》（Bioactive Materials）发表了题为《PCK2-糖酵解信号通路调控细胞外基质硬度促进骨再生》的论著（The PCK2-glycolysis axis assists three-dimensional-stiffness maintaining stem cell osteogenesis）。课题组前期工作表明，PCK2可以通过细胞自噬相关通路促进骨再生；靶向PCK2能够治疗增龄性和雌激素缺乏性骨质疏松（Stem Cells, 2019等）。本研究进一步聚焦PCK2在三维微环境中对骨再生的调控作用，体外构建了不同硬度的细胞外基质，更接近地模拟骨质疏松骨和正常骨的骨小梁硬度变化趋势，揭示了不同硬度细胞外基质中，糖代谢关键酶PCK2通过调控糖酵解信号通路，从而促进骨再生的新机制。本研究将细胞代谢和周围环境的力学特征耦联起来，为认知细胞微环境的调控提供了新的视角，为促进骨质疏松条件下骨缺损的再生修复提供了新的思路，同时也将为再生医学支架材料活性功能设计提供重要启示。本研究在国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金等资助下完成，修复科博士后李峥为第一作者，修复科教授、主任医师周永胜，修复科副研究员张萍为共同通讯作者。

9. 智能响应型抗菌材料分子结构设计原理和生物医学应用

据郑州大学官网报道，近日，先进高分子材料研究所高分子智能材料团队受邀在国际TOP期刊Advanced Science (IF: 16.8)发表题为“Stimuli-Responsive Antibacterial Materials: Molecular Structures, Design Principles, and Biomedical Applications”综述性文章，该文章阐述了智能抗菌材料的基本原理，展望了在生物诊疗、绿色包装、电子产品等领域的应用前景。郑州大学材料学院王向红博士为第一作者，刘旭影教授为通讯作者，河南工业大学陈新博士为共同通讯作者，郑州大学材料学院为第一通讯单位。医疗电子设备、包装材料的细菌感染问题严重威胁人类的生活和生命健康，解决细菌感染的主要难题是生物膜的快速形成和耐药菌的产生。与传统抗菌材料相比，智能响应型抗菌材料可以实现及时发现感染，并按需激活杀菌的功能，避免产生对细菌的耐药性，阻止细菌生物膜的形成。若已存有生物膜，智能响应型抗菌材料还能杀死膜中的细菌，有效减缓杀菌剂的细胞毒性。按照刺激的来源，本综述将智能响应型抗菌材料分为外界环境刺激响应型抗菌材料和细菌代谢物刺激响应型抗菌材料，外界环境刺激响应型抗菌材料是通过改变外界环境调控杀菌功能的开启和关闭，主要有温度、光、电、盐刺激响应型材料；细菌代谢物刺激响应型抗菌材料可以响应细菌的代谢产物实现自适应抗菌的效果，主要包括酸、酶、还原刺激响应型材料。本综述文章重点介绍了智能响应型抗菌材料的种类、响应机制和设计原则，还讨论了智能响应型抗菌材料在生物医学和电子诊疗领域的应用、当前挑战和未来的发展方向。本综述将为智能响应型抗菌材料的研究提供科学的指导，并且推进其在临床的应用。

10. 单细胞涂层技术用于益生菌耐抗生素

据四川大学官网报道，近日，郭俊凌教授、华西第二医院张曜耀医生与美国哈佛大学、麻省理工大学联合团队，利用植物多酚在细胞界面粘附的作用特性，开发了一种细菌功能化新技术，为细菌功能强化升级与生物杂化复合体的构建提供了一种全新的策略。相关研究成果发表于国际顶级期刊《Nature Communications》（川大A-刊），并被Nature Portfolio英文版及中文版亮点报道。我院博士生潘界舟为论文的第一作者，博士后龚贵东为论文的共同第一作者，我院为该研究第一单位。肠道菌群在维持健康的胃肠功能和其他生理过程中起着关键作用。随着这些作用机制被逐渐揭示，使用口服微生物作为疾病治疗新手段和诊断新方法的应用已成为生物医学领域的焦点方向之一。肠道菌群能够在口腔和胃部转运过程中存活，并在肠道中繁衍，从而对宿主产生有益的生物效应，包括对肠道病原体的抑制、调节免疫、促进营养吸收等。抗生素的广泛使用严重破坏了肠道菌群的稳态，从而导致抗生素相关的腹泻（AAD）。AAD影响了约30%的接受抗生素治疗的病人，而这一副作用对一些基础健康状况较差的老年病人可能带来严重后果。在临床上，虽然会通过口服益生菌制剂来缓解抗生素的副作用，但由于未经保护的益生菌在患者肠道内仍然会遭受抗生素的破坏，新的菌群几乎无法定植，因此在抗生素治疗期间即使多次口服益生菌制剂往往也疗效不佳。因此，通过纳米材料与活细菌的结合对益生菌进行物理封装，以弥补益生菌的先天缺陷是解决这一问题的一个行之有效的方法。基于前期郭俊凌教授在国际金属-多酚网络（Metal-phenolic network）领域的相关研究，该团队将多酚界面组装的方法扩展应用在益生菌上，创建一种使益生菌能够抵御抗生素伤害的平台化技术，命名为益生菌纳米盔甲（如图1所示）。

11. 细胞焦亡纳米调控器

据北京大学新闻网报道，2022年5月23日，北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室汪贻广研究员、张强教授团队和北京大学系统生物研究所游富平研究员团队在纳米领域顶级期刊Nature Nanotechnology在线发表了最新研究成果《细胞焦亡纳米调控器用于肿瘤治疗》（“A pyroptosis nanotuner for cancer therapy”）。汪贻广研究团队基于课题组发展的pH超敏感（ultra-pH-sensitive, UPS）纳米技术平台，在国际上率先建立了一系列不同pH转变点（pHt 5.0–7.0）的纳米药物（ANPS），能够对细胞内早期内吞体-晚期内吞体-溶酶体通路进行多达10个阶段的划分，每个阶段pH差异仅0.2个单位。通过ANPS纳米技术，该团队将纳米药物（活性氧）精准靶向递送至特定阶段的内吞细胞器。采用该项技术，汪贻广研究团队在国际上首次发现了细胞内吞成熟过程能够时空操控纳米药物诱导的细胞死亡信号通路及细胞杀伤效应，并系统阐明了早期内吞体靶向的活性氧通过特异性激活内吞体膜上的磷脂酶C信号通路和下游的Caspase3/GSDME信号通路，触发高效的肿瘤细胞焦亡；而靶向递送至晚期内吞体和溶酶体阶段的活性氧则通过经典的溶酶体膜渗透性增加，引起低效率的细胞凋亡模式。这种通过内吞体成熟过程调控细胞死亡模式和杀伤效应的焦亡纳米调控器在10多种肿瘤细胞上具有良好的普适性。相对于晚期内吞体和溶酶体靶向的纳米颗粒，早期内吞体靶向的纳米粒在体外和体内的抑瘤效果分别能提升40倍和20倍，在多种皮下/原位肿瘤模型上实现了安全高效的肿瘤治疗。该项研究为基于细胞焦亡纳米药物的合理设计和内吞体信号通路的精准靶向递送策略奠定基础。汪贻广、张强和游富平为本文的通讯作者，北京大学药学院陈斌龙博士（博士后创新人才支持计划入选者）为论文的第一作者，北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室为第一单位。

12. 基于数字微镜阵列的组装方法助力类生命机器人可控制造

据中科院官网报道，近日，Biofabrication刊载了中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组在微纳生物制造与操控领域的最新研究成果Bubble-based microrobots enable digital assembly of heterogeneous microtissue modules。研究通过封装并组装异质微生物模块，探索了生物结构打印中可重构操纵的可行性以及后续组织的融合。组织的特定空间分布产生了异质性微机械环境，为血管再生等多种功能提供了理想条件。然而，如何在体外制造微尺度、多细胞异质组织模块，并将其可重构地组装成特定的功能单元仍然是一个具有挑战性的任务。该研究搭建了多组分构建、装配与观测一体化制造系统，提出了基于数字微镜阵列的微小生物组织制造方法，实现了活体细胞单元高效可控构建；突破了基于气泡微型机器人的操纵技术，解决了生物环境下细胞无损精确操控与组装的难题，为以细胞为基础部件的类生命机器人可控制造奠定了基础。

13. 实现从单酶到全细胞尺度上可循环光催化反应

据中科院官网报道，5月7日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院钟超课题组在Science Advances上发表了题为Photocatalyst-mineralized biofilms as living bio-abiotic interfaces for single enzyme to whole-cell photocatalytic applications的研究论文。该研究利用工程改造的大肠杆菌生物被膜原位矿化作用，构建了全新的生物-半导体兼容界面，并基于此实现了从单酶到全细胞尺度上可循环光催化反应，为可持续半人工光合体系的构建提供了新思路。基于生物被膜的可工程改造以及环境耐受等特性，课题组在本项目中提出利用大肠杆菌生物被膜构建生物-半导体界面，将半导体纳米材料和细菌进行物理分隔，从而避免半导体材料和细胞的直接接触并降低半导体材料对细胞的损害，最终发展一种具有可持续性特征的半人工光合作用体系。该研究中，研究人员首先对CsgA进行了合成生物学改造，将矿化短肽A7和CsgA蛋白融合表达并分泌，赋予生物被膜原位矿化的能力。通过在生物被膜表面原位矿化CdS纳米颗粒，获得了光催化剂矿化的生物被膜。结合纯化的异亮氨酸脱氢酶或胞内表达的甲酸脱氢酶，可以实现从单酶到全细胞的光催化反应体系。与漂浮的细胞相比，细菌生物被膜拥有更大的表面积、更强的环境耐受性和更方便、灵活的功能修饰，是搭建半人工光合作用体系的优异底盘。该研究展示了无机材料和生物体系的无缝整合，可以保护细胞免受高能半导材料的损害。未来通过进一步改造微生物的代谢通路，可以实现高附加值经济化学分子的生成。由于微生物体系具备自我再生的能力同时生物被膜体系易于放大生产，因此，该方法为未来实现可持续的规模化光催化应用提供了新方向。

14. 新型光免疫纳米材料

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员董文飞课题组开发了一种载有咪喹莫特（R837，TLR7激动剂）的介孔六方核壳锌卟啉-二氧化硅纳米粒子（MPSNs），该纳米粒子可用于乳腺癌PDT、PTT和特异性免疫联合治疗。该纳米材料以四苯基卟啉锌【Zinc(II) Tetraphenylporphyrin，ZnP】为核，介孔二氧化硅骨架为壳。一方面，该粒子只需一种光源即可高效产生活性氧（ROS）并将光子转化为热能，实现PDT和PTT效果；另一方面，二氧化硅壳的介孔结构实现了R837的高效装载，与肿瘤相关抗原一起功能化，有效促进树突状细胞（DC）成熟，激发强烈的免疫反应。综上所述，MPSNs能作为优良的光敏剂，也可以作为高效的药物载体；基于MPSNs@R837的治疗策略不仅通过光疗方式（PDT和PTT）根除原发性肿瘤，而且由于双向机制相互作用引发的强烈免疫反应，有效抑制了肿瘤转移。相关研究成果以Light-triggered multifunctional nanoplatform for efficient cancer photo-immunotherapy为题发表于Journal of Nanobiotechnology。

15. 微针技术用于持续监测行为自由人体的ISF生物标记物

加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授和Patrick P. Mercier副教授（共同通讯作者）等人发表文章报告了一种小型化、全集成、无线操作的微针技术，可用于持续监测行为自由人体的ISF生物标记物。这一可穿戴系统通过不断收集丰富的分子数据，以便于更好地了解身体对日常活动的反应。ISF生物标记物（葡萄糖、乳酸和/或酒精）的实时监测可单独（单个分析物）或者同时（葡萄糖-酒精和葡萄糖-乳酸）进行，其结果与相应金标准（血液或呼吸）测量结果呈现出密切相关性。为了实现这一目标，该研究设计、制造、开发并测试了一个全集成微针传感器系统，该系统由多个传感探头和定制电子器件组成。其中，集成系统具有九个不同的子组件，它们被组装成两个主要组件——“一次性传感器”和“可重复使用的电子器件”，以便根据功能寿命方便更换低成本一次性传感器组件。该系统微针尖端插入皮肤上皮后，可持续选择性地收集来自佩戴者ISF的分子级电化学信号，该信号紧接着通过电子器件的低噪、可重复使用的传感器-器件物理接口无线传输到佩戴者的移动应用程序并进行可视化和分析。由此，研究通过整体性方法解决了系统集成（传感器、电子设备、固件和app开发）、制造、皮肤穿透以及准确无串扰的生物传感等多方面的挑战。加州大学圣地亚哥分校Farshad Tehrani、Hazhir Teymourian、Brian Wuerstle、Jonathan Kavner为本文共同第一作者，研究成果以 “An integrated wearable microneedle array for the continuous monitoring of multiple biomarkers in interstitial fluid”为题发表在国际著名期刊Nature Biomedical Engineering上。

16. 基于水凝胶响应压力梯度直接产生离子电流

加拿大英属哥伦比亚大学的John D. W. Madden（通讯作者）等人提出了一种离子型压电方法，可基于水凝胶响应压力梯度直接产生离子电流（即离子压电效应，piezoionic effect）。在该研究所设计制备的水凝胶中，阳离子和阴离子的迁移行为不同，因此当被挤压时水凝胶可形成离子梯度并产生电压。由此产生的离子电流具有变化范围较宽的持续时间（从毫秒级别到数百秒级别），并且可发挥直接的神经调节和肌肉兴奋作用。阳离子和阴离子的迁移差异还可决定信号放大程度和持续时间，而同时，具有固定电荷梯度的图案化水凝胶薄膜可提供接近细胞电位的电压补偿，因此结合这两种效应，研究创造的自供能超软离子压电机械感受器可产生比摩擦纳米发电和压电器件高4-6个数量级的电荷密度，有望为设计仿生感知接口提供新的思路。本文第一作者为Yuta Dobashi，研究成果以题为“Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels”发表在国际著名期刊Science上。