開啟組織—電子界面新時代

●創(chuàng)新點

隨著柔性電子器件在醫(yī)療健康領域的興起，生物組織與電子設備界面的標準化連接和快速集成成了急需攻克的難題。不同于電子設備的標準化接口，生物組織因其柔軟、脆弱、形狀和大小不規(guī)則等特點難以具備標準化接口。

工業(yè)包裝中使用的熱收縮膜在加熱時可以快速收縮，從而對大小和形狀不規(guī)則的物體進行形狀自適應的包裹和覆蓋。然而，這些材料不適合生物應用，因為它們通常比生物組織更堅硬，且需要在90℃以上的高溫條件下收縮。

中國科學院深圳先進技術研究院深圳先進集成技術研究所神經(jīng)工程中心李光林、劉志遠研究團隊，聯(lián)合新加坡南洋理工大學、南京醫(yī)科大學，從蜘蛛絲中汲取靈感，創(chuàng)造性地研發(fā)出一種遇水能夠快速大幅度收縮的柔軟薄膜，為實現(xiàn)生物和電子設備之間的無縫集成提供了新的可能性。

●方法和結果

研究人員基于聚環(huán)氧乙烷和聚乙二醇-α-環(huán)糊精包合物制備出這種水響應性的超收縮聚合物薄膜。該薄膜在正常環(huán)境條件下干燥、柔韌且穩(wěn)定，潤濕后可在數(shù)秒內收縮50%以上，并變得柔軟且可拉伸。薄膜分子鏈取向和帶微孔的多級結構導致了這種超收縮性，這也有利于電子集成。

接下來，研究人員用這種薄膜制成形狀自適應電極陣列，簡化了植入過程，使其在濕潤后形狀自適應地包裹不同大小的神經(jīng)、肌肉和心臟，并進行在體神經(jīng)刺激和電生理信號記錄實驗。

應用前景

這種水響應材料開啟了組織—電子界面的新時代，在柔性植介入、可穿戴醫(yī)療電子等方面有潛在的重要作用。

Source: YI J, ZOU G J,HUANG J P, et al. Water-responsive supercontractile polymer films for bioelectronic interfaces[J]. Nature,2023, 624(7991): 295-302.

神經(jīng)回路特異性基因療法

帕金森病治療新策略

●創(chuàng)新點

帕金森?。≒D）是一種影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的慢性神經(jīng)退化疾病，以多巴胺能神經(jīng)元喪失為特征，主要影響運動神經(jīng)系統(tǒng)，隨時間推移患者會出現(xiàn)顫抖、肢體僵硬、運動功能減退、步態(tài)異常等癥狀，也可能有認知和情緒問題。帕金森病是老年人群中最常見的神經(jīng)退行性疾病之一，影響著全球600 多萬老年人的生活質量和生命體驗。

目前，臨床上常用左旋多巴（多巴胺前體物質）或多巴胺受體激動劑治療帕金森病，但由于多巴胺受體在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)分布廣泛，現(xiàn)有療法缺乏特異性，幾乎所有長期接受左旋多巴治療的患者都會出現(xiàn)運動并發(fā)癥。來自中國科學院深圳先進技術研究院的研究人員及其合作者開發(fā)出一種基因治療策略，可選擇性地操縱受帕金森病影響的神經(jīng)回路，實現(xiàn)更精準、高效和穩(wěn)定的治療。

●方法和結果

表達多巴胺受體D1 的中型多棘神經(jīng)元（D1-MSN）和表達多巴胺受體D2 的中型多棘神經(jīng)元（D2-MSN）占紋狀體神經(jīng)元的90%。D1-MSN 和D2-MSN 都接受來自黑質致密部的多巴胺能神經(jīng)支配，在運動控制中卻扮演著截然不同的角色。投射到蒼白球內側部和黑質網(wǎng)狀部的D1-MSN 構成直接通路并促進運動，投射到蒼白球外側部的 D2-MSN 則構成間接通路并介導運動抑制。在帕金森病中，多巴胺耗竭會導致上述直接通路的活動減退和間接通路的活動過度，從而引起多種運動癥狀。

研究人員設計了一種由高效逆行腺相關病毒 （AAV）、具有強 D1-MSN 活性的啟動子元件和化學遺傳學效應子組成的治療策略，可以特異性地標記并操控D1-MSN，從而驅動D1-MSN 介導的直接通路。

在帕金森病靈長類動物模型中，實施這種靶向 D1-MSN 的神經(jīng)回路特異性基因療法后，運動遲緩、僵硬和震顫等典型運動癥狀得到了極大改善。

應用前景

與目前的治療方法相比，這種特異性操縱神經(jīng)回路的基因療法不僅療效顯著，而且起效更快、持續(xù)時間更長，有望幫助老年人緩解痛苦，提高生活質量。除了治療帕金森病的潛力外，該療法還為未來開發(fā)治療其他腦部疾病的基于神經(jīng)回路的靶向治療策略提供了參考。

Source: CHEN Y F, HONG Z X, WUANG J Y, et al. Circuitspecific gene therapy reverses core symptoms in a primate Parkinson’s disease model[J]. Cell, 2023,186(24), 5394-5410.

跟北極熊學保暖

仿生學再立功

●創(chuàng)新點

2023 年冬天，寒潮早早地侵襲了我國多個省份，你的衣服足夠抵御嚴寒嗎？

對于抗寒保暖這件事，北極熊是一本“行走的教科書”。一身超強保暖的“毛衣”讓北極熊能適應-40 ℃的環(huán)境。

浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授和高分子科學與工程學系高微微副教授帶領團隊模仿北極熊毛的“核-殼”結構，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維。

●方法和結果

研究人員在電子顯微鏡下仔細觀察北極熊的毛，注意到了一個過去被忽略的細節(jié)：北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層殼。借鑒北極熊毛的 “核- 殼”結構，歷時近6 年，團隊做出了一種新型纖維：纖維的中心是高分子氣凝膠，其內部分布著直徑大約為10 ～30μm 的纖長的小孔，它們朝著同一個方向排列，像一個個存儲空氣的倉庫；同時，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內部的氣凝膠包裹起來。

研究人員在-20℃的環(huán)境中測試了羽絨衣、羊毛毛衣、棉毛衫和“北極熊毛衣”的保暖效果，結果顯示，這種新型保溫材料制作的衣服保暖性能遠強于厚度接近的羊毛毛衣、棉毛衫，以及厚得多的羽絨服。

這種材料不但有傳統(tǒng)保溫材料的隔熱功能，還能“封鎖”人體向外輻射的紅外線，耐拉伸等力學性能也大大提升，可直接機織，能真正實現(xiàn)把氣凝膠穿在身上。

應用前景

這種仿生北極熊毛保暖材料可能會帶來保暖衣物的新革命，保暖衣物將變得更保暖、更輕薄、更價廉，大大改善人們的過冬體驗。

Source: WU M R, SHAO Z Y, ZHAO N F, et al. Biomimetic,knittable aerogel fiber for thermal insulation textile[J].Science, 2023, 382,1379-1383.