研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带"

研究人员开发出可再生骨骼的"骨绷带" 压电材料在施加机械应力时会产生电荷。骨骼就是一种压电材料。由于骨具有电微环境，电信号在骨修复过程中发挥着重要作用，可有效促进骨再生。然而，骨再生是一个复杂的过程，依赖于机械、电气和生物成分。目前的骨再生策略，如释放生长因子的移植物或支架，都有其局限性，如供体部位的并发症、有限的可用性和高昂的成本。现在，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发出了一种开创性的骨再生方法，它将压电和一种天然存在于骨骼中的矿物质结合在一起。羟基磷灰石（HAp）是骨骼和牙齿中的一种矿物质，在骨骼结构强度和再生中发挥作用。它通常被添加到牙膏中，用于重新矿化牙釉质和强化牙齿。研究发现，HAp 能促进成骨（骨形成），为新骨生长提供支架。它还具有压电特性和粗糙的表面，是制作骨生长支架的理想材料。因此，研究人员制作了一个独立的仿生物支架，将HAp集成到聚合物薄膜聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）的压电框架中。这种独立的支架在施加压力时会产生电信号，这使得这种方法有别于以往将HAp和P(VDF-TrFE)结合在一起的研究，后者仅限于金属假体的涂层。他们说，研究人员的新方法为骨再生提供了一个多功能平台，超越了表面结合应用。对含有和不含HAp的支架进行体外比较后发现，HAp支架上的细胞附着率要高出10%至15%。细胞培养五天后，HAp 支架上的细胞增殖率提高了 20% 至 30%，成骨水平提高了约 30% 至 40%。研究结果表明，HAp 最大限度地提高了支架的压电特性，并创造了一种类似于人体细胞外基质的环境，细胞外基质是所有组织的非细胞成分，它提供了组织再生所需的基本物理结构和重要线索。(d）显微 CT 图像显示使用不同支架的小鼠头骨的骨再生情况；（e）支架植入后 2、4 和 6 周的骨量和面积 Joo 等人研究人员随后在小鼠身上测试了他们的 HAp/P(VDF-TrFE)支架，将其置于动物头骨（小腿骨）的缺损处。支架维持了六周，没有发生变形。所有小鼠都存活了下来；没有观察到任何不良反应，包括感染或炎症反应。植入两周、四周和六周后，与对照组没有骨形成相比，安装了HAp支架的小鼠的骨再生能力明显增强。该研究的通讯作者之一 Seungbum Hong 说："我们开发出了一种基于 HAp 的压电复合材料，它可以像'骨绷带'一样加速骨再生。这项研究不仅为生物材料的设计提出了新的方向，而且在探索压电性和表面特性对骨再生的影响方面也具有重要意义。"这项研究发表在《ACS 应用材料与界面》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家研制出一种具有独特甚至矛盾特性的新型玻璃

科学家研制出一种具有独特甚至矛盾特性的新型玻璃 使用标准实验室设备在室温下轻松制备多肽玻璃。资料来源：特拉维夫大学特拉维夫大学（TAU）的研究人员创造了一种新型玻璃，这种玻璃具有独特甚至相互矛盾的特性，如具有很强的粘合性（粘性），同时又具有令人难以置信的透明性。这种玻璃在室温下与水接触后会自发形成，可为光学和电子光学、卫星通信、遥感和生物医学等一系列不同行业带来一场革命。这种玻璃是由以色列和世界各国的研究人员组成的研究小组发现的，研究小组由博士生 Gal Finkelstein-Zuta 和来自塔大生命科学院 Shmunis 生物医学与癌症研究学院和工程学院材料科学与工程系的 Ehud Gazit 教授领导。研究成果最近发表在著名的科学杂志《自然》上。制备后的固体肽玻璃。资料来源：特拉维夫大学"在我们的实验室，我们研究生物融合，特别是利用生物的奇妙特性来生产创新材料，"Gazit 教授解释说。"除其他外，我们还研究构成蛋白质的氨基酸序列。氨基酸和肽具有相互连接并形成具有确定周期性排列的有序结构的自然趋势，但在研究过程中，我们发现了一种独特的肽，它的行为与我们所知道的任何东西都不同：它没有形成任何有序的模式，而是一种无定形、无序的模式，就像玻璃一样。"在分子水平上，玻璃是一种液态物质，其分子结构缺乏有序性，但其机械特性却类似于固态。玻璃通常是通过快速冷却熔融材料并将其"冻结"在这种状态下，然后再让其结晶，从而形成一种无定形状态，具有独特的光学、化学和机械特性，以及耐久性、多功能性和可持续性。TAU 的研究人员发现，在室温条件下，由三个酪氨酸序列（YYY）组成的芳香肽在水溶液蒸发后会自发形成分子玻璃。(从左至右）：Gal Finkelstein-Zuta 和 Ehud Gazit 教授。图片来源：特拉维夫大学Gal Finkelstein-Zuta 说："我们所熟知的商用玻璃是通过快速冷却熔融材料制成的，这一过程被称为玻璃化。无定形的液态组织必须先固定下来，然后才能像晶体那样以更节能的方式排列，而这就需要能量必须将其加热到高温并立即冷却。另一方面，我们发现的玻璃是由生物构件组成的，它在室温下自发形成，不需要高温或高压等能量。只需将粉末溶解在水中就像制作酷儿汽水一样，玻璃就会形成。例如，我们用新玻璃制作镜片。我们不需要经过漫长的研磨和抛光过程，只需将一滴水滴在表面上，仅通过调节溶液量就能控制其曲率，进而控制其焦距。"TAU 的创新玻璃具有世界上独一无二的特性，这些特性甚至相互矛盾：它非常坚硬，但在室温下可以自我修复；它是一种强力粘合剂，同时在从可见光到中红外线的宽光谱范围内都是透明的。"这是第一次有人成功地在简单条件下制造出分子玻璃，"Gazit 教授说，"但比这更重要的是我们制造出的玻璃的特性。这是一种非常特殊的玻璃。一方面，它非常坚固，另一方面，它非常透明，比普通玻璃透明得多。我们都知道，普通的硅酸盐玻璃在可见光范围内是透明的，而我们创造的分子玻璃在红外线范围内是透明的。这在卫星、遥感、通信和光学等领域有很多用途。它还是一种强力粘合剂，可以把不同的玻璃粘在一起，同时还能修复玻璃上形成的裂缝。这是世界上任何玻璃都不具备的一系列特性，在科学和工程领域具有巨大的潜力，而我们从一个肽一小块蛋白质中获得了这一切。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍 "CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-Shen Ong说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-Shen Ong。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大 100 或 1000 倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在 20 世纪 70 年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-Shen Ong 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料

科学家用合成生物学和三维打印技术打造可编程的生命材料 从第 1 天（左）到第 14 天（右），3D 打印在水凝胶中的植物细胞生长并开始繁茂成黄色的细胞簇。图片来源：改编自 ACS Central Science 2024，DOI: 10.1021/acscentsci.4c00338最近，研究人员一直在开发工程活体材料，主要依靠细菌和真菌细胞作为活体成分。然而，植物细胞的独特特性激起了将其用于工程植物活体材料（EPLMs）的热情。以前，科学家们创造的基于植物细胞的材料结构相当简单，功能有限。余子怡、狄振高及其同事希望改变这种状况，他们制作了形状复杂的 EPLM，其中含有可定制行为和功能的基因工程植物细胞。24 天后，植物细胞在两种不同的生物墨水中产生的颜色在这种叶形工程活体材料中清晰可见。来源：改编自 ACS Central Science 2024，DOI: 10.1021/acscentsci.4c00338研究人员将烟草植物细胞与含有农杆菌的明胶和水凝胶微粒混合，农杆菌是一种常用于将DNA片段转入植物基因组的细菌。然后将这种生物墨水混合物在平板上或装有另一种凝胶的容器内进行 3D 打印，形成网格、雪花、树叶和螺旋等形状。接着，用蓝光固化打印材料中的水凝胶，使结构硬化。在随后的 48 小时内，EPLMs 中的细菌将 DNA 转移到生长中的烟草细胞上。然后他们用抗生素清洗这些材料，以杀死细菌。在接下来的几周里，随着植物细胞在 EPLMs 中生长和复制，它们开始根据转移的 DNA 生成蛋白质。在这项概念验证研究中，转移的DNA使烟草植物细胞能够产生绿色荧光蛋白或贝特类色素红色或黄色的植物色素，可作为天然着色剂和膳食补充剂。通过用两种不同的生物墨水打印叶形 EPLM一种墨水沿叶脉产生红色素，另一种墨水在叶片的其他部分产生黄色素研究人员表明，他们的技术可以产生复杂的、空间可控的多功能结构。研究人员说，这种 EPLM 结合了生物体的特征和非生物物质的稳定性和耐久性，可以用作细胞工厂，生产植物代谢物或药物蛋白质，甚至用于可持续建筑应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型"

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型" 在维也纳医科大学和维也纳工业大学的一个联合项目中，开发出了世界上第一个三维打印的"大脑模型"，该模型以脑部纤维结构为模型，可以使用一种特殊的磁共振成像（dMRI）进行成像。由维也纳医科大学和维也纳工业大学领导的科研团队在一项研究中表明，这些大脑模型可用于推进神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。这项研究成果发表在《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）杂志上。磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的诊断成像技术，主要用于检查大脑。核磁共振成像可在不使用电离辐射的情况下检查大脑的结构和功能。在磁共振成像的一种特殊变体扩散加权磁共振成像（dMRI）中，还可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束的交叉点很难正确确定神经纤维的方向，因为不同方向的神经纤维会在那里重叠。为了进一步改进流程以及测试分析和评估方法，一个国际团队与维也纳医科大学和维也纳工业大学合作开发了一个所谓的"大脑模型"，该模型是利用高分辨率三维打印工艺制作的。带有微通道的小立方体维也纳医科大学的研究人员作为核磁共振成像专家，维也纳工业大学的研究人员作为三维打印专家，与苏黎世大学和汉堡大学医疗中心的同事密切合作。早在2017年，维也纳工业大学就开发出了一种双光子聚合打印机，可以实现升级打印。在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学共同开展了脑模型的使用案例研究。由此产生的专利构成了脑模型的基础，该模型现已开发完成，并由维也纳工业大学的研究与转让支持团队负责监督。从外观上看，这个幻影与真正的大脑并无太大区别。它要小得多，形状像一个立方体。它的内部是非常细小的、充满水的微通道，大小与单个颅神经相当。这些通道的直径比人的头发丝还要细五倍。为了模仿大脑中精细的神经细胞网络，第一作者迈克尔-沃莱茨（Michael Woletz）（维也纳医科大学医学物理和生物医学工程中心）和弗兰兹斯卡-查鲁帕-甘特纳（Franziska Chalupa-Gantner）（维也纳工业大学3D打印和生物制造研究小组）领导的研究小组使用了一种相当不寻常的3D打印方法：双光子聚合。这种高分辨率方法主要用于打印纳米和微米级的微结构，而不是打印立方毫米级的三维结构。为了为 dMRI 制作合适尺寸的模型，维也纳科技大学的研究人员一直在努力扩大三维打印工艺的规模，以便能够打印出具有高分辨率细节的更大物体。高比例三维打印为研究人员提供了非常好的模型，在 dMRI 下观察时，可以确定各种神经结构。Michael Woletz 将这种提高 dMRI 诊断能力的方法与手机相机的工作方式进行了比较："我们看到，手机相机在摄影方面取得的最大进步并不一定是新的、更好的镜头，而是改进所拍摄图像的软件。dMRI 的情况也类似：利用新开发的大脑模型，我们可以更精确地调整分析软件，从而提高测量数据的质量，更准确地重建大脑神经结构。"改进 dMRI分析软件因此，真实再现大脑中的特征神经结构对于"训练"dMRI 分析软件非常重要。使用三维打印技术可以创建可修改和定制的各种复杂设计。因此，大脑模型描绘的是大脑中产生特别复杂信号并因此难以分析的区域，如交叉的神经通路。因此，为了校准分析软件，需要使用 dMRI 对大脑模型进行检查，并像分析真实大脑一样分析测量数据。由于采用了三维打印技术，模型的设计是精确可知的，分析结果也可以检查。作为联合研究工作的一部分，维也纳医科大学和维也纳理工大学已经证明了这一点。所开发的模型可用于改进 dMRI，从而有利于手术规划和神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。尽管概念得到了验证，但团队仍然面临着挑战。目前最大的挑战是扩大这种方法的规模："双光子聚合的高分辨率使得打印微米和纳米范围的细节成为可能，因此非常适合颅神经成像。但与此同时，使用这种技术打印一个几立方厘米大小的立方体也需要相应的时间，"Chalupa-Gantner 解释说。"因此，我们不仅要开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：