科研发展动态 | 2022年第1期

发布时间:2022/01/21 03:36:05 文章来源:本站

2022年第1



| 要目 |



— 生命科学 —



1.科学家采用光刻技术生产出新型微针贴片

2.深圳科研团队设计出快速自愈的活体材料

3.全球首例基因编辑猪心脏移植到人体


—  信息科学  —




1.太赫兹实时传输净速率超100Gbps






—  材料科学  —




1.可重构回收的高性能柔性电子器件问世

2.新型人工突触可用于高度扩展的类脑计算






| 生命科学 |


科学家采用光刻技术生产出新型微针贴片


科学家一直在研究各种类型的微针作为微创透皮给药工具。来自日本和泰国的两个研究团队合作解决了现有微针存在的主要问题,相关内容发表于《生物高分子》期刊上。日本高等科学技术研究院团队开发了一种有效抑制蛋白质聚集的功能性聚合物,泰国国家科学技术发展局团队则基于光刻技术完善了一种适合工业生产的微针制造方法。二者结合起来,联合团队生产出了具有多种特性和临床环境可扩展性的微针贴片。

研究人员用不可降解的生物相容性水凝胶制成微针,其中含有两性离子聚磺基甜菜碱(poly-SPB),这种聚合物会抑制蛋白质聚集,即使受到各种外部压力,预装在微针中的蛋白质也能保持稳定。通过对猪皮肤实验,研究团队证实了这种微针贴片具有高载药量和高药物释放率,且微针还可同时装载和保存各种水溶性药物和蛋白质,且无需冷藏。此外,团队还开发了简单且经济高效的方法来制造由上述材料制成的微针阵列。他们采用了光刻技术,用光掩模选择性地阻止紫外线到达目标表面以控制局部化学反应。通过这一制造过程导致光聚合,随后在透明柔性基板上形成3D微针结构图案。该方法只需入门级的光刻设备,仅需5分钟,就能生产出具有显著机械强度的微针。

微评:作为一种革命性且更温和的给药方式,微针具无痛、安全、药量可缓慢释放的优点。如果能解决制造难、成本高的问题,将有望成为一种可广泛铺开的给药工具。



深圳科研团队设计出快速自愈的活体材料


中国科学院深圳先进技术研究院戴卓君课题组与刘志远课题组合作,提出了一种全新可快速修复的活体材料构建思路,并进一步将其推广应用于智能制造及可穿戴设备的器件组装领域。这一成果近日发表于《自然—化学生物学》。

基于抗原和抗体分子在结构上具有一定的互补性,通过分子间的作用力形成非共价结合,在极短时间内就可发生特异的相互作用而稳定结合的原理,研究人员构建了表面有抗原和纳米抗体的两种工程菌株,再以一定比例将两种菌株混合,通过抗原—抗体间的快速相互作用,制备出了稳定的、具有高效自修复能力的一种活体材料。研究团队进一步对该材料在可穿戴设备和生物传感器上的应用进行了探究,将活体材料与多种可穿戴器件组装在一起,如肌肉电信号传感器以及压力传感器,这种活体材料自愈合特性在该类应变传感器中显示出独特的优势,使得传感器具备更好拉伸导电性和信噪比,能更加均匀地反映形变程度,该方案突破了生命体与非生命器件的界限,拓展了活体材料应用领域。

微评:这项成果是研究团队在合成生物学领域融合生物技术(BT)与信息技术(IT)的一次新尝试,这种创新的“BT+IT”协同制造模式,可能带来大的应用革新。



全球首例基因编辑猪心脏移植到人体


美国马里兰大学医学中心1月10日发布消息说,医学专家已为一名美国男性心脏病人成功进行了一项特殊移植手术,将经基因改造的猪的心脏移植入其体内,属全球首例。该病人在马里兰大学医学中心接受了这项手术。移植手术中使用的猪已经过基因改造,其中包括“敲除”会引起人类排异反应的基因,以及一个特定基因以预防移植入人体的猪心脏组织过度成长。这项移植手术首次展示了经过基因改造的动物心脏移植入人体后,能像人的心脏一样发挥作用,并且身体不会马上对这个动物心脏产生排异反应。目前说这项手术完全成功还为时过早,但这已经证实了基因编辑的动物心脏可以在人体内正常工作而不会立即被排斥。

微评:虽然目前尚不能确定这个移植的猪心脏是否会长期有效,但移植手术的成功标志着科学家们朝利用动物器官拯救人类生命的努力迈出了重要一步。




| 信息科学 |




太赫兹实时传输净速率超100Gbps


太赫兹无线通信被普遍认为是未来6G移动通信系统的核心组成部分。网络通信与安全紫金山实验室联合东南大学、鹏城实验室、复旦大学和中国移动等团队,在国家重点研发计划6G专项等项目的支持下,搭建出首个360430GHz频段100/200Gbps实时无线传输通信实验系统,首次实现单波长净速率为103.125Gbps、双波长净速率为206.25Gbps的太赫兹实时无线传输,通信速率较5G提升1020倍,打破了太赫兹通信系统实时传输净速率超过100Gbps的公开报道世界纪录,成果入选2022OFC Demo Zone(国际光通信领域顶级学术会议),这也是OFC太赫兹通信领域历史上由我国大陆学者独立完成的首篇论文。

微评:太赫兹的频段可将现有5G的峰值传输速率提升一至两个量级,能满足未来6G全息通信、元宇宙等新型应用需求。按10年一代的信息通信发展规律,6G预计将在2030年左右开始商用化,目前属于技术布局的窗口期。




| 材料科学 |


可重构回收的高性能柔性电子器件问世



中国科学技术大学赵刚课题组提出了一种结合纳米纤维静电纺丝和液态金属模板印刷的新型柔性电子器件制备技术。相关研究成果日前发表于国际期刊《ACS纳米》上。

该制备技术通过静电纺丝技术获得热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜作为柔性基底,然后利用模板印刷在基底膜上构造液态金属图案化电路。再通过逐层组装的策略来按参数制备柔性电路、电阻器、电容器、电感器及它们的复合器件。该方案制备的柔性电子器件具有优异的可拉伸性、透气性和稳定性,同时可构建多层,甚至可重构。研究人员演示了该技术的广泛应用前景,如柔性显示器、柔性应变传感器、柔性触觉传感器,柔性NFC通讯设备等,并展示了该技术制备的柔性电子设备的可回收和可重构的绿色方案。

微评:日益严峻的环境和能源问题给人类社会的发展也带来了巨大的挑战,电子器件的可回收性、自愈性和可重构性也成为开发人员需要考虑的问题,这种新颖的制造策略将对柔性电子产品的开发和商业化产生积极影响。




新型人工突触可用于高度扩展的类脑计算



据最新一期美国化学会期刊《应用材料与界面》报道,新加坡科技与设计大学Edwin Koh研究团队开发出一种基于二维( 2D )材料的新型人工突触,能用于可高度扩展的类脑计算。

模仿人脑功能的类脑计算因其在人工智能中的应用前景和低能耗特性而引起科学界的广泛关注。像人脑一样,为了让类脑计算发挥作用,记住两个神经元之间连接的突触必不可少。在发育的大脑中,突触可以分为功能性突触和沉默突触。功能性突触是活跃的,而沉默突触在正常条件下是不活跃的,当沉默突触被激活时,它可帮助优化神经元之间的连接。由于人脑包含大约一百万亿个突触,而建立在数字电路上的人工突触目前仍结构复杂且不能小型化,因此在硬件效率和成本方面存在限制,要将其应用于智能便携式设备和物联网,将会导致极高的硬件成本。为解决这个问题,该研究团队使用2D材料模拟功能性和沉默突触行为。同时该2D材料系统可利用电离子实现沉默突触与功能性突触的相互转变,且该材料可用在单个设备替换基于复杂数字电路的功能性和沉默突触,从而显著降低硬件成本。

微评:对人工智能技术最大的期待是像人一样计算思考。人工突触则可以模拟人类大脑中突触的可塑性,并随着时间推移而学习。虽然该项研究还远未走向实用,但类脑计算的每项技术进步都值得期待。