科研发展动态2020年第2期

发布时间:2020/06/10 11:50:55 文章来源:本站

要目

生命科学

1.港科大等团队联合研制新型仿生眼

2.陈薇团队重组腺病毒新冠疫苗通过一期临床

3.中科院微生物所研发全人源单克隆抗体应对新冠病毒

4.人类细胞首次实现可控可逆变透明,显示内部动态过程

5.哈佛大学研究人员发布可以长出毛发的皮肤器官成果


信息科学

1.SpaceX载人飞船发射成功

2.毫米波芯片国产化破除国外垄断


材料科学

碳纳米管首次在真实电子学表现优于传统CMOS


生命科学

港科大等团队联合研制新型仿生眼

来自香港科技大学电子及计算机工程学系范智勇团队、加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系和美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的一组研究人员就人工视网膜问题提出了最新的方案。该团队题为《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina(具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼)》的论文在线发表于《自然》(Nature)杂志。该研究团队的方案是,设计一种由高密度(密度高达 4.6×10^(-8)  cm^(–2),远高于人眼视网膜中的感光器密度 10^(-7) cm^(–2))纳米线阵列组成的、具有半球形视网膜的电化学眼 EC-EYE(EyeroChemical EYE),旨在模仿人眼视网膜上的光感受器。



如图所示,晶状体(Lens)固定在仿生眼的小孔上,仿生眼由前侧的金属壳(Aluminium shell)、后侧的人造视网膜(Retina)和中间的离子液体(lonic liquid)组成。


这项研究最主要的突破是后侧的半球形视网膜,从上图可以清晰地看到密集排列的光敏纳米线(Nanowire,模拟人眼视网膜中的感光细胞)被固定在氧化铝膜(Aluminium shell)的孔中。聚合物插座(Socket)用于固定视网膜,确保纳米线和背面的液态金属线(Liquid-metal Wire)之间的电接触。而液态金属线通过将信号从纳米线传输到用于信号处理的外部电路来模拟神经纤维。范志勇教授认为,如果一切都按计划进行的话,那么该技术有可能在 5 年内落地应用。


微评:能帮助视觉受损者重见光明的技术,除了角膜移植、脑电技术、还有仿生眼。香港科技大学该项研究的突破不仅在于这一仿生眼模仿了人眼,也通过模仿对类似昆虫的复眼等结构来实现视觉感知。基于这项研究所取得的进展,仿生光敏器件可实现进一步的优化,未来十年内将仿生眼应用于消费类电子产品、机器人等广泛的场景也可以说是指日可待。



陈薇团队重组腺病毒新冠疫苗通过一期临床

5月22日国际医学期刊《柳叶刀》(The Lancet)杂志发布全球首个重组腺病毒5型载体新冠疫苗(“Ad5-nCoV”)I期人体临床试验结果。结果显示,由中国工程院院士、军事科学院军事医学研究院陈薇院士领衔的科研团队,研制出以腺病毒Ad5为载体的新冠疫苗,在一期临床的108个志愿者中,全部有显著的细胞免疫反应。


且结果显示出,该疫苗在I期时是安全的,免疫原性和人体耐受性是良好的,能够在人体内产生抗新冠病毒的免疫应答。而最终结果将在6个月内进行评估,并给予公开说明。据悉,这是中国首个新冠疫苗的人体临床数据结果,也是世界首个新冠疫苗人体临床实验论文。腺病毒这条路线的最大优势是疫苗的生产技术较成熟、相对成本较低,路线较安全。因此,它将为未来疫苗大面积使用提供了一个比较好的基础。


微评:如今全球科学家正在全力开发疫苗与病毒赛跑。世卫组织数据显示,目前已有超过118个疫苗项目正在进行,来自16个国家的顶尖科研团队、上千名科学家都在日以继夜的工作,数百亿资金驰援疫苗项目。整个疫苗研发是一个非常复杂的过程,中国有自己的新冠疫苗策略和路径,而且公开了疫苗研究进程。

包括腺病毒在内的多个新冠疫苗,都已经展示出了很好的安全性,进程还是很快的。



中科院微生物所研发全人源单克隆抗体应对新冠病毒

5月26日中国科学院微生物研究所等团队的一项研究被顶级学术期刊《自然》(Nature)以“加快评审文章 (Accelerated Article Preview) ”形式在线发表,该项研究表明LALA突变的CB6人源单克隆抗体在体外实验中展现出较强的中和活性,随后的非人灵长类动物试验则发现,该抗体能够有效治疗和预防新型冠状病毒(SARS-CoV-2)感染,并减少与感染相关的肺损伤。


该项研究由中国科学院微生物研究所严景华团队、高福团队、王奇慧团队联合中科院武汉病毒所、北京地坛医院、解放军总医院第五医学中心、国家疾病预防控制中心病毒病研究所、上海君实生物医药科技股份有限公司等机构联合完成。通讯作者为解放军总医院王福生院士,中科院武汉病毒所袁志明研究员,中科院微生物所王奇慧研究员、高福院士和严景华研究员。


据中国科学院微生物研究所介绍,作为由中国科学院自主研发的具有重大临床应用前景的抗体药物,该产品已申请发明专利并进入产业化快速发展通道,预计将在近期申请临床试验。


微评:这篇论文首次报道了在非人灵长类动物试验模型中,能够有效治疗和预防新型冠状病毒(SARS-CoV-2)感染的特异性、全人源单克隆抗体。本次研发的中和抗体具有临床应用的重大前景。目前已经完成技术转化和治疗性抗体的生产工艺建设,产业化进展顺利,预期将在近期申请临床试验。一旦成功上市,将会为世界疫情防控工作做出来自中国科学家的贡献。



人类细胞首次实现可控可逆变透明 显示内部动态过程

近日,加州大学欧文分校研究人员阿隆·格罗德斯基及其同事,受头足类动物的适应性皮肤细胞的启示,并从其结构和功能中汲取灵感,着手设计并改造了人类细胞。

这些细胞包含可重构的基于蛋白质的光子结构,能够有控制地、可逆地变为透明。透明化可以让科学家们对细胞中的每一个细微之处都精确观察,而可控、可逆的掌握这一变透明过程,将对细胞内部动态过程有更深刻的了解。

研究人员总结表示,他们的最新成果将能更加清晰地显示活细胞和活组织内部所有的发生过程,并通过这一步加深科学家们对于各种生物系统的认识。


微评:当细胞可以变透明,人类也终于能更清晰地认识与研究细胞和组织内发生的各种生化物理过程。实际上,科研人员多年来一直致力于探索生物体内的精细结构,以便更好地了解细胞的生理病理过程。此前的有关研究虽也实现了组织器官的透明化,但此次是第一次实现可控可逆地透明化。这相当于科研人员给细胞装上了某种开关,能够一键切换细胞状态。科研人员从自然界吸取灵感,学习了乌贼的变色机制,着手改造人体细胞。自然界处处藏着闪耀着智慧光芒的“导师”。



哈佛大学研究人员发布可以长出毛发的皮肤器官成果

Nature 近期发布一项研究成果,美国哈佛大学医学院等机构利用人类多能干细胞培养出了可以长出毛发的皮肤类器官。在皮肤组织工程研究这件事上,科学家们已深耕了 45 年。

利用角质形成细胞可以从人体皮肤表层中分离且进行培养,形成细胞薄片重新移植回烧伤患者身上,可以治疗烧伤患者。但移植的皮肤是否能包含更多皮肤成分,包括毛囊、黑色素细胞、汗腺、神经、肌肉、脂肪、免疫细胞、表皮细胞等。


哈佛大学医学院的研究人员正是聚焦于此。研究人员利用干细胞生物学和毛囊发育领域的研究,在实验室中模仿发育中的皮肤组织,与毛囊相关的一些组织,比如皮脂腺,神经及其受体,肌肉和脂肪等也逐渐开始发育生长,形成了较为完整的皮肤。

研究人员将体外培养的皮肤类器官移植到免疫功能不全小鼠的背部皮肤。结果发现,该皮肤类器官能够与小鼠皮肤融合,其中有 55% 的移植向外长出了 2-5mm 的毛发。研究发现未来或许能够根据培养条件定制不同部位的皮肤类器官。


微评:当这一研究发现对皮肤修复、伤口愈合、脱发等方面治疗有积极意义,但对于皮肤工程的研究仍在继续,还有很多问题和风险需要进一步研究解决。


信息科学

SpaceX载人飞船发射成功

北京时间5月31日凌晨,SpaceX载人龙飞船发射成功,在经过大约19个小时的飞行后,载人龙飞船成功与国际空间站对接,将两位宇航员成功送达国际空间站。

这是美国首次使用本土商业公司的火箭和飞船从本土将宇航员送往空间站。SpaceX也是全球首家实现载人航天的民间商业公司。SpaceX已将载人航天的成本大幅降低。根据NASA公布的单人发射费用对比,波音为9000万美元,俄罗斯为8600万美金,SpaceX的龙飞船仅为5500万美元。


为何SpaceX的龙飞船的单人发射费用能够比竞争对手少这么多?首先是SpaceX载人航天采用的可回收和重复使用的运载火箭和飞船,大大降低了发射成本。除此之外, SpaceX的运载火箭和龙飞船没有采用价格高昂的宇航级元器件,而是采用了价格相对低廉的工业级元器件。此外,在软件上也更多的采用了开源软件。


微评: SpaceX运载火箭和龙飞船成功树立宇航界标杆的真正秘密在于,一是火箭发射实现了回收和重复使用,二是在器件和材料方面用廉价替代高价,且用创新的研发思维和技术设计思路保障了宇航级的安全要求。此项创举为人类低成本商用航天愿景打开了现实的天窗。


毫米波芯片国产化破除国外垄断

毫米波芯片是高容量5G移动通讯系统的核心器件之一,长期被国外垄断,是我国短板中的短板。6月15日,中国工程院院士刘韵洁表示,南京网络通讯与安全紫金山实验室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片,并完成了芯片封装和测试,每通道成本由1000元降至20元。同时,他们封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列。芯片与天线阵列力争2022年规模商用于5G系统。


微评:毫米波芯片研发生产的国产化、低成本化,将会进一步推进5G建设的速度,降低5G基站的建设成本。


材料科学

碳纳米管首次在真实电子学表现优于传统CMOS

北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇-彭练矛课题组在世界顶级学术期刊《科学》(Science)上发表论文,题为《基于高密度半导体阵列碳纳米管的高性能电子学》。


论文第一作者为北京大学电子系博士研究生刘力俊和工程师韩杰,张志勇和彭练矛为文章的共同通讯作者,湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位相关研究人员亦参与合作。

该研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科学技术委员、国家自然科学基金委等项目资助。


论文描述在4英寸基底上制备了高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,突破了碳纳米管集成电路关键的材料瓶颈。该研究团队目前实际已经可以在8英寸晶圆上制备这种碳管,并开发了全自动的提纯和组装设备,完全具备量产的技术积累。针对制备和提纯,课题组在论文中采用多次聚合物分散和提纯(Multiple-Dispersion Sorting Process)技术得到超高纯度碳纳米管溶液。


在排列方面,研究团队提出结合维度限制自排列法(Dimension-Limited Self-Alignment),在4寸晶圆上制备出了密度120/微米、半导体纯度高达99.99995%、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列,理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求。


基于此种材料,课题组批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路,100纳米栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm,室温下亚阈值摆幅为90mV/dec;批量制备出了五阶环形振荡器电路,成品率超过了50%,最高振荡频率达到8.06GHz,远超已发表的基于纳米材料的电路,且首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。


微评:该项成果首次在实验上显示了碳纳米管器件和集成电路相对于传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展走出了第一步。在加工技术没有太成熟度时,碳基芯片可以作为硅基芯片的补充,增强硅基芯片的功能或性能。一旦技术成熟,碳基芯片有可能发展出完整的应用领域,并在集成电路领域发挥重要影响。