麻省理工学院为细胞打造“健身计划” 设计水凝胶“房”

麻省理工学院为细胞打造“健身计划”设计水凝胶“健身房”麻省理工学院的工程师设计了一种细胞锻炼垫，可以帮助科学家在微观层面上对运动的机械效应进行归零。研究结果表明，经常锻炼有助于肌肉纤维向同一方向生长。图片来源：EllaMarushchenko现在，麻省理工学院的工程师们设计出了一种细胞锻炼垫，它可以帮助科学家们在微观层面上对运动的纯机械效应进行归零。这种新设计与瑜伽垫并无太大区别：两者都是橡胶材质，有一定的伸缩性。就麻省理工学院的垫子而言，它是由水凝胶制成的，水凝胶是一种类似果冻的柔软材料，只有四分之一硬币大小，内嵌磁性微粒。为了激活凝胶的机械功能，研究人员在垫子下方使用了一块外部磁铁，来回移动嵌入的微粒，使凝胶像振动垫一样摇摆。他们控制着晃动的频率，以模拟肌肉在实际运动时所承受的力量。接下来，他们在凝胶表面培育了一层肌肉细胞地毯，并激活了磁铁的运动。然后，他们研究了细胞在受到磁力振动时对"运动"的反应。研究结果表明，定期的机械运动可以帮助肌肉纤维向同一方向生长。这些排列整齐的"锻炼"纤维还能同步工作或收缩。研究结果表明，科学家可以利用新的锻炼凝胶来塑造肌肉纤维的生长方式。该研究小组计划利用他们的新装置，将强健、功能性肌肉的薄片模型化，以用于软机器人和修复病变组织。拉曼左侧是研究生安吉尔-布，右侧是研究生布兰登-里奥斯。图片来源：亚当-格兰兹曼麻省理工学院工程设计布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授里图-拉曼（RituRaman）说："我们希望利用这个新平台来研究机械刺激是否有助于引导受伤后的肌肉再生或减轻衰老的影响。机械力在我们的身体和生活环境中扮演着非常重要的角色。现在我们有了一个研究工具"。她和同事们最近在《设备》（Device）杂志上发表了他们的研究成果。在麻省理工学院，拉曼的实验室设计用于医学和机器人学的自适应生命材料。该团队正在设计功能性神经肌肉系统，目的是恢复运动障碍患者的行动能力，并为柔软的适应性机器人提供动力。为了更好地了解天然肌肉和驱动其功能的力量，她的团队正在研究组织如何在细胞水平上对运动等各种力量做出反应。拉曼说："在这里，我们想找到一种方法，将运动的两个主要因素--化学和机械--分离开来，看看肌肉是如何纯粹对运动的机械力做出反应的。"研究小组一直在寻找一种方法，让肌肉细胞定期、反复地受到机械力的作用，同时又不会在此过程中对它们造成物理损伤。他们最终选择了磁铁这种安全、无损的方式来产生机械力。对于他们的原型，研究人员首先将市售的磁性纳米粒子与橡胶硅溶液混合，制造出微米大小的小磁棒。他们将混合物固化成板坯，然后将板坯切成非常薄的条状。他们将四根磁棒夹在两层水凝胶（一种通常用于培养肌肉细胞的材料）之间，每根磁棒之间的间距稍大。最后得到的嵌入磁铁的垫子大约有四分之一硬币大小。然后，研究小组在垫子表面培养出"鹅卵石"状的肌肉细胞。每个细胞一开始都是圆形，随着时间的推移逐渐拉长，并与其他相邻细胞融合形成纤维。最后，研究人员在凝胶垫下的轨道上放置了一块外部磁铁，并设定磁铁来回移动的程序。嵌入的磁铁随之移动，使凝胶发生摆动，并产生与细胞在实际运动时类似的力。研究小组每天对细胞进行30分钟的机械"锻炼"，持续了10天。作为对照，他们在相同的垫子上培养细胞，但让它们在没有运动的情况下生长。拉曼说："然后，我们放大并拍摄了凝胶的照片，发现这些受到机械刺激的细胞看起来与对照组细胞截然不同。"研究小组的实验发现，与没有运动的细胞相比，经常暴露在机械运动中的肌肉细胞生长时间更长，而没有运动的细胞则倾向于保持圆形。更重要的是，"运动"过的细胞长出的纤维朝同一方向排列，而不运动的细胞则像杂乱无章的干草堆，纤维排列不整齐。研究小组在这项研究中使用的肌肉细胞是经过基因工程改造的，能在蓝光照射下收缩。通常情况下，人体内的肌肉细胞会在神经电脉冲的作用下收缩。然而，在实验室中对肌肉细胞进行电刺激可能会对它们造成潜在伤害，因此研究小组选择从基因上操纵这些细胞，使它们对非侵入性刺激（在本例中为蓝光）做出收缩反应。拉曼解释说："当我们用光线照射肌肉时，你可以看到控制细胞在跳动，但有些纤维这样跳动，有些那样跳动，总体上产生了非常不同步的抽搐。而在排列整齐的纤维中，它们都同时朝着同一方向拉动和跳动"。她将这种新的锻炼凝胶命名为MagMA（磁性基质驱动），它可以作为一种快速、无创的方法来塑造肌肉纤维，并研究它们如何对运动做出反应。她还计划在这种凝胶上培养其他类型的细胞，以研究它们如何对定期锻炼做出反应。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396981.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396981.htm

新研发的磁性凝胶通过锻炼皮肤细胞 使伤口愈合速度提高两倍

新研发的磁性凝胶通过锻炼皮肤细胞使伤口愈合速度提高两倍左起：LeZhicheng博士与液态磁性凝胶样品，AndyTay助教与预装凝胶的绷带，寿宇峰博士与磁刺激装置图/新加坡国立大学糖尿病足溃疡患者通常会被告知不要在伤口上施加任何重量，因为这样做会杀死脆弱的新生皮肤细胞，从而阻碍伤口愈合。尽管如此，对皮肤的一些机械刺激会促使新的皮肤细胞生长，从而帮助伤口愈合。这种情况有点矛盾，因此新加坡国立大学的科学家们创造了这种特殊的水凝胶。新研发的材料含有微小的磁性颗粒和两种经美国食品及药物管理局批准的皮肤细胞：角质细胞和成纤维细胞，前者在皮肤修复中发挥关键作用，后者则在皮肤中形成结缔组织。当伤口部位暴露在外部设备产生的动态磁场中时，磁性微粒会做出反应，四处移动，但不会太剧烈，细胞也会随之移动。这些细胞与患者自身的皮肤细胞相互作用，本质上是对它们进行温和而有效的锻炼。将受伤的脚放入磁刺激装置中进行两到三个小时的治疗新加坡国立大学在对小鼠进行的测试中，凝胶疗法使真皮成纤维细胞（皮肤细胞的主要类型）的生长率提高了约240%，而且使其胶原蛋白的生成率提高了一倍多。治疗还改善了角质细胞和其他细胞之间的交流，促进了伤口处新血管的生长。"磁响应水凝胶与无线磁诱导动态机械刺激相结合，解决了伤口愈合中的基本难题，"有关这项研究的《先进材料》论文的共同第一作者寿宇峰博士说。"这些原理和我们技术的适应性，以及它对病人的普遍易用性，意味着它可以应用于改善糖尿病以外的各种情况下的伤口愈合，包括烧伤和慢性非糖尿病溃疡。"参与这项研究的还有南洋理工大学、中山大学、武汉理工大学和科学技术研究署的科学家。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391097.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391097.htm

将大脑免疫细胞转化为神经元有助于中风后的康复

将大脑免疫细胞转化为神经元有助于中风后的康复中风或其他脑血管疾病导致脑部血流不畅后，神经元要么受损，要么死亡，造成特有的生理和心理缺陷。现在，日本九州大学的研究人员将大脑的主要免疫细胞小胶质细胞转化为神经元，从而恢复了受中风影响的小鼠的运动功能。该研究的通讯作者中岛健一说："当我们被割伤或骨折时，我们的皮肤和骨骼细胞可以复制，从而治愈我们的身体。但我们大脑中的神经元却不容易再生，因此损伤往往是永久性的。因此，我们需要找到新的方法来安置失去的神经元。"研究人员从之前的研究中得知，在健康小鼠的大脑中，小胶质细胞可以被诱导发育成神经元。中风后，负责清除受损或死亡脑细胞的小胶质细胞向受伤部位移动并迅速复制。该研究的第一作者入江隆说："小胶质细胞数量丰富，而且正好位于我们需要它们的地方，因此它们是理想的转化目标。"研究人员通过暂时阻断右侧大脑中动脉诱导小鼠中风，大脑中动脉是大脑中的主要血管，通常与人类中风有关。一周后，研究人员观察到小鼠的运动功能出现障碍，纹状体中的神经元明显减少，而纹状体是大脑中参与决策、行动规划和运动控制的区域。他们使用慢病毒--一种用作病毒载体的亚类逆转录病毒--将DNA插入中风损伤部位的小胶质细胞。DNA中含有产生NeuroD1的指令，NeuroD1是一种诱导神经元转换的蛋白质。在随后的几周里，这些细胞发育成了神经元。在小胶质细胞中产生NeuroD1蛋白可诱导它们发育成神经元（红色），减少神经元缺失区域（暗斑）。DNA植入三周后，小鼠的运动功能得到改善。到八周时，新诱导的神经元已成功融入大脑回路。当研究人员移除新神经元时，运动功能的改善消失了，这证实了新神经元对小鼠的康复做出了直接贡献。中岛说："这些结果很有希望。下一步是测试NeuroD1是否也能有效地将人类小胶质细胞转化为神经元，并确认我们将基因插入小胶质细胞的方法是安全的。"由于小鼠是在中风后的急性期接受治疗的，此时小胶质细胞已经迁移到损伤部位，因此研究人员下一步计划观察他们是否能在后期阶段让小鼠产生康复效果。该研究发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391667.htm

植物纤维月经垫可能有助于消除不发达地区的"经期贫困"

植物纤维月经垫可能有助于消除不发达地区的"经期贫困"由于缺乏基础设施和资金，持续运送预先包装好的月经垫是不可行的，因此一些团体开始探索用当地植物材料现场制作月经垫的方法。马努-普拉卡什副教授领导的斯坦福大学研究团队就是其中之一。棉花似乎是提供吸水垫芯的不二之选，但不幸的是，棉花种子相对昂贵，而且广泛种植这种植物需要大量的水。普拉卡什和同事们在评估了其他一些选择后，最终选择了剑麻植物，这是肯尼亚工程师亚历克斯-奥敦杜（AlexOdundu）提请他们注意的。剑麻是龙舌兰科植物，是一种坚韧的肉质植物，能够抵御干旱环境。更重要的是，剑麻厚厚的剑形叶片含有纤维，通常可制成绳索和麻绳。斯坦福大学的研究小组开发了一种简单的化学工艺，可以去除这些纤维中的木质素，木质素是一种构成植物细胞壁的坚韧聚合物。由此产生的不含木质素的大纤维素纤维被放入搅拌机中，分解成柔软的吸水材料。普拉卡什实验室的博士生、该研究论文的共同作者安东-莫利纳（AntonMolina）说："最终会得到这种漂亮的绒毛，看起来几乎与棉花无异。纤维的微观特性让剑麻脱颖而出。它是比大麻或亚麻等更好的替代品，其性能超过了市面上销售的棉垫"。重要的是，加工过程中使用的化学品可以在当地生产，而且使用后可以回收利用或转化为二氧化碳和水。装有未加工剑麻纤维的培养皿图/安德鲁-布罗德黑德科学家们目前正在研究使用更多植物材料制造月经垫防水外层的方法。他们成立了一个名为"植物月经垫联盟"（PlantPadConsortium）的组织，世界各地的机构和组织可以在这个组织中开展合作，以消除经期贫困。相关论文最近发表在《通信工程》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401327.htm

研究发现久坐者的短暂运动或有助于肌肉再生

研究发现久坐者的短暂运动或有助于肌肉再生围绕着整天坐着对健康的负面影响的证据不断增加，随之而来的是关于人们如何能够控制风险的新想法。一项新研究已经深入研究了起身进行短暂运动如两分钟的步行的代谢效果，另外还表明它可以改善饭后的糖分处理并帮助保持肌肉质量和质量。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1329495.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1329495.htm

新型生物墨水促进3D打印肌肉组织的生长和再生

新型生物墨水促进3D打印肌肉组织的生长和再生生成类似本地的肌肉组织是一项棘手的工作。肌肉组织由多种不同类型的细胞组成，肌肉周围的环境受复杂的生化和生物力学途径调节，包括炎性细胞因子和生长因子，它们能维持内部稳定并支持组织修复。目前，修复因创伤、疾病或手术而受伤或丧失的肌肉需要将健康的肌肉转移到受影响的部位，这种技术称为自体转移。这种方法并不理想，因为它会对取自健康组织的部位产生负面影响，而且神经支配不良等并发症也会阻碍肌肉功能的恢复。现在，洛杉矶寺崎生物医学创新研究所（TIBI）的研究人员发明了一种新型改良生物墨水，用于增强3D打印骨骼肌结构，克服自体转移的局限性。正常骨骼肌的发育是一个渐进的过程，它依赖于肌母细胞（肌肉细胞前体）融合在一起形成肌管，最终成为肌肉纤维。这一过程被称为肌生成。因此，在肌肉工程中，确保成熟的肌肉细胞在结构上排列整齐并提高其存活率，从而保持其功能至关重要。为了模拟肌肉生成，研究人员利用了他们专门配制的生物墨水中的一种关键成分：胰岛素样生长因子-1（IGF-1），这是一种分子结构类似于胰岛素的激素，与生长激素一起对骨骼和组织的正常生长发育至关重要。这种生物墨水由一种名为明胶甲基丙烯酰（GeIMA）的生物相容性明胶基水凝胶、成肌细胞和涂有IGF-1的聚乳酸丙烯酸酯（PLGA）微粒组成，目的是在微粒降解时缓慢释放激素。聚乳酸-聚乙二醇酸（PLGA）具有持续释放特性、低毒性和生物相容性，是最有效的可生物降解聚合物纳米颗粒之一。生物墨水的对照版本不含IGF-1。研究人员发现，生物打印肌肉构建体三天后，肌母细胞仍然存活，证实打印过程没有损伤细胞。他们观察到肌母细胞排列增强，肌母细胞融合形成肌管，在含有IGF-1的构建体中，肌管明显更长更宽。在PLGA/IGF-1条件下，肌管覆盖了25%的面积，而在对照条件下，这一比例不到16%。如下视频所示，在生物打印后10天左右，成型组织开始自发收缩，收缩力足以撼动水凝胶基底。在含有持续释放的IGF-1的区域，收缩的幅度明显更大。研究人员随后将三维打印的肌肉结构植入小鼠体内。六周后，接受了IGF-1持续释放构建体的小鼠显示出最多的肌肉组织再生。他们总结说，这项研究的结果有力地表明，他们的新型生物墨水可以形成一种与原生肌肉组织非常相似的收缩三维结构。"IGF-1的持续释放促进了肌肉细胞的成熟和排列，这是肌肉组织修复和再生的关键一步，"该研究的通讯作者AliKhademhosseini说。"利用这种策略治疗性地创建功能性收缩肌肉组织具有巨大潜力。"该研究发表在《大分子生物科学》（MacromolecularBioscience）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380579.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380579.htm