【科创热榜前沿科技周报】-114期转贴

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前沿科技盘点〔114〕｜干细胞创新疗法加速伤口愈合；实验室里“复刻”宇宙冲击波，激光“点亮”超新星秘密

   原文链接:https:https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/ztbd/kcrbqykjzb/202410/t20241028_183722.html

不要小看科学家的实验室，方寸之间却内有乾坤。因为实验的每个小火花，都可能照亮一个全新的科学领域。在这看似不起眼的空间里，蕴藏着探索宇宙奥秘、解锁自然和生命密码的无限可能。

北京协和医院临床医学研究所冷泠团队针对如何加速愈合冻伤伤口这一临床难点，研发出一种可显著加速伤口愈合、减少冻伤后早期炎症的“药物”。值得注意的是，该“药物”是由实验室“种出”的人诱导性多能干细胞衍生的皮肤类器官结合水凝胶构建而成。

依托绵阳高功率激光“神光Ⅲ(SGⅢ)原型”装置，中国工程物理研究院激光聚变研究中心、厦门大学物理科学与技术学院天文学系和北京应用物理与计算数学研究所的联合研究团队在实验室中创造出冲击波，首次定量论证了实验室研究核坍缩超新星中辐射冲击波传播的可行性。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第114期。

1《Protein & Cell》丨播种并收获“迷你版人体器官”，创新疗法加速伤口愈合

明胶水凝胶包被皮肤类器官显著加速冻伤创面无瘢痕愈合

冻伤久不愈合不仅会导致瘢痕形成，严重的皮肤冻伤患者需要截肢，甚至继发恶性肿瘤，如何加速愈合冻伤伤口仍然是临床难点。北京协和医院临床医学研究所冷泠团队研发出一种可显著加速伤口愈合、减少冻伤后早期炎症的“药物”。该“药物”由人诱导性多能干细胞衍生的皮肤类器官结合水凝胶构建而成。

低温寒冷侵袭所导致的损伤称为冻伤，冻伤是寒冷季节、从事低温下作业人员的常见急症。目前常用的治疗办法仍以传统的涂抹药膏为主。对比普通的皮肤损伤，冻伤造成的损伤更加复杂、更难愈合，因此预防、早期诊断和积极治疗至关重要。

随着干细胞研究领域的发展，类器官研究也在不断推进。类器官的形成过程，简单来说，就像是在实验室里“种植”出一个人体器官的迷你版。主要步骤包括准备“种子”、“土壤”和“肥料”，一切准备就绪后，进行播种并培育。“种子”就是干细胞；“土壤”指的是适合干细胞生长和分化的环境，通常包括一个3D支架（如基质胶等）；“肥料”则是促进干细胞生长和分化的生长因子。将准备好的干细胞“播种”到3D支架上，这些干细胞会在支架上开始生长和自组装，研究人员添加各种生长因子，来模拟体内细胞生长的环境，之后干细胞开始分化，形成不同类型的细胞，并按照特定的空间结构排列，最终形成“迷你版”的功能性仿真器官——类器官。

研究团队利用人诱导多能干细胞培养出具有表皮及毛囊附属器、真皮及脂肪和神经系统的全层皮肤类器官，对二级冻伤进行针对性治疗。其研究发现，移植皮肤类器官可以显著加速冻伤皮肤的伤口愈合。病理分析显示，炎症和血管损伤明显改善，皮肤类器官移植促进了受冻伤影响的皮肤组织中胶原蛋白表达的快速恢复。研究者还发现，与未接受治疗的皮肤组织相比，接受皮肤类器官移植1天的皮肤组织中包括单核细胞、巨噬细胞和朗格罕斯细胞在内的免疫细胞比例有所降低，表明类器官治疗可以调节由于损伤组织中炎症细胞的反复激活而引起的过度炎症反应，从而抑制冻伤瘢痕的形成。

原文链接：https://doi.org/10.1093/procel/pwae055

2《Science Bulletin》丨实验室里“复刻”宇宙冲击波，激光“点亮”超新星秘密

核坍缩超新星中的辐射冲击波示意图；实验室获取的辐射冲击波温度、密度空间分布示意图

近日，中国工程物理研究院激光聚变研究中心、厦门大学物理科学与技术学院天文学系和北京应用物理与计算数学研究所的联合研究团队报道了其在实验室天体物理辐射冲击波方面的最新进展。

辐射冲击波普遍存在天体爆发现象中。对于核坍缩超新星而言，由于辐射自吸收难以获得爆发过程的直接天文观测、核坍缩超新星的驱动机制仍不明确等原因，有必要在实验室中创造冲击波并研究其传播，通过可控定量化操作，为核坍缩超新星数值模拟提供参数校验。

研究团队在绵阳高功率激光“神光Ⅲ(SGⅢ)原型”装置上，用能量为1600 ~ 2800 J的激光分别在1.2和1.9 atm的氙气中驱动冲击波。利用背光照相图像获得了冲击波的平均速度，并通过数据处理首次获得了波后压缩密度，与二维辐射流体程序模拟获得的速度和压缩密度符合较好。研究团队进一步结合模拟得到的温度，依据缩比定标率，将其与核坍缩超新星模拟中的辐射冲击波状态进行全面比较，结果完全吻合。该工作首次定量论证了实验室研究核坍缩超新星中辐射冲击波传播的可行性，为后续剖析爆发的时间序列演化，揭示和量化冲击波能量耗散机制，以及检验核坍缩超新星爆发机制奠定了基础。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.08.022

3《Materials Today》丨科学家“梦幻联动”，探寻声子超构材料逆向设计“最优解”

声子超构材料逆向设计方法概图

声子超构材料(Phononic meta-structured materials, PMSMs)指通过微结构功能基元的设计，能够对其中声波/弹性波的传播进行操控，实现新奇波动特性的一类人工微结构材料。它涵盖了声子晶体、传统的亚波长声学超材料和超表面等。在过去的三十年中，声子超构材料吸引广泛关注，从频散工程，到波前调控，甚至整个波场的任意构建等大量复杂波动现象与功能方面均展现出了惊人的弹性波或声波操纵能力。声子超构材料的核心问题之一就是如何合理地设计不同尺度/层级的结构以实现需求的结构-波相互作用。传统的声子超构材料设计主要依赖直觉或经验，但往往面临设计空间不足、波动特性或功能有限、缺乏系统性等问题。

对此，北京理工大学先进结构技术研究院董浩文、天津大学汪越胜、美国罗文大学沈宸、香港理工大学成利、美国杜克大学Steven A. Cummer等多位科学家“梦幻联动”，共同发表前沿综述文章，系统回顾了声子超构材料逆向设计领域的研究进展，全面梳理了声子超构材料的基本概念、内涵、逆向设计方法论、逆向设计的声子超构材料与定制化波动功能、及定制化声子超构材料的典型应用等，对声子超构材料逆向设计的未来研究进行展望。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.09.012

4 这一脑脊接口的突破，为脊髓损伤患者带来重新行走的希望

脊髓神经根影像重建3D模型

作为连接大脑与外周神经系统的“信息高速通道”，脊髓若受到损伤，大脑发出的指令就无法传递给肌肉，患者因此失去自主行动能力。如何使脊髓损伤致瘫患者恢复运动能力，一直以来是医学界重大难题。《中国脊髓损伤者生活质量及疾病负担调研报告2023版》显示，中国现存脊髓损伤患者374万，每年新增脊髓损伤患者约9万人。如果让瘫痪患者能站起来，将是从0到1的突破。

复旦类脑智能科学与技术研究院加福民团队研发新一代用于脊髓损伤患者的植入式脑脊接口设备，该项目获2024年全国颠覆性技术创新大赛优胜奖，预计年底开展首例临床试验。

如何精准刺激脊髓神经根，对下肢相应肌群进行交替激活，从而重建行走步态？加福民团队使用张江影像中心的3T磁共振成像设备，创新设计包含多种扫描序列的成像方案，并基于人工标签构建自动化重建算法模型，从而精确捕捉腰骶段脊髓神经根结构特征。相关数据和生成的个体化脊髓神经根模型近期已开源，为神经康复领域专家开展脊髓神经调控基础研究提供支撑。

加福民团队采用红外动捕、肌电、惯性传感器、足底压力垫等多模态技术，构建健康步态以及多种异常步态数据集，建立算法模型，实现跨人群、跨模态、跨类型的连续步态轨迹高性能追踪，为脑脊接口技术奠定基础。他们提出“三合一”的系统设计方案，将三台设备集成为一台颅骨植入式微型设备，减小患者术后创口的同时，也能实现采集与刺激一体化，对患者自主运动进行闭环调控。这个方案可将解码过程由体外转入体内，提高脑电信号采集稳定性和效率，最终实现百毫秒级别的解码速度和刺激指令输出——正常人的反应时间为二百毫秒左右，这意味未来，脊髓损伤患者的行走步态将更加自然流畅。

5《SCIENCE CHINA Information Sciences》丨开掘ReSe2二维半导体高频应用新潜力

ReSe2的晶体结构，基于1-3层ReSe2材料的纳米机电器件，及此类器件的频率设计规律和二维ReSe2晶体的杨氏模量提取。

二维半导体是指材料厚度在纳米尺度（通常小于100纳米）的半导体材料。这类材料具有独特的物理和化学性质，如量子尺寸效应、表面效应和量子隧穿效应等，这些特性使得二维半导体在构建新型纳米器件时具有显著优势。ReSe2（二硒化铼）就是其中的典型代表，已在二维激光、晶体管和光电探测器等重要领域取得了一系列应用进展。

电子科技大学王曾晖、夏娟、朱健凯、徐博等科学家合作，通过干法转移技术，制备了从单层到超百层的30余个圆形ReSe2鼓膜谐振，器件工作在高频-超高频范围。在进一步对器件谐振的实验数据进行总结和分析后，研究人员们成功确定了二维ReSe2晶体的杨氏模量为110GPa，并确立了ReSe2纳米机电器件的频率设计规律。其成果有望为新型ReSe2纳米器件的设计及其应用提供重要的指导，并推动二维ReSe2纳米机电器件的发展。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s11432-024-4047-2

6《Science Advances》丨七千人MRI数据揭秘！神经退行性疾病脑结构特征新发现

正常老化、阿尔茨海默病(AD)和额颞叶痴呆(FTD)等神经退行性疾病(或过程)具有交叉重叠的脑结构表征，但各自却有典型区别的临床表现。近日，山东大学齐鲁医院与北京邮电大学合作，联合国内多家医院揭示正常老化以及多种神经退行性疾病的脑结构特征表征，试图回答“不同疾病(状态)之间的脑结构特异性表征是什么？”“什么微观因素导致了不同疾病(状态)的复杂临床表型？”等一系列重要问题。

研究团队纳入7000余例多中心、跨疾病数据集的结构磁共振影像(MRI)，建立了可以表征脑结构异常的新型脑网络计算方法，进一步基于跨疾病、多组学数据，系统探索了不同疾病的脑结构异常模式。他们发现，老化呈现分布广泛但程度轻微的脑结构变化，而AD则呈现出典型的区域损伤，如默认网络和皮下核团，揭示了通过复杂脑网络结构可以更好地捕捉疾病特异性表征。

其研究进一步探索了不同疾病脑结构异常模式背后潜在的生物机制，结果显示老化主要与离子运输变化相关，不同痴呆类疾病则与化学神经递质异常相关，揭示了痴呆与老化生物过程的差异。此外，研究还揭示了不同痴呆类型之间的特异性，如AD主要与5-羟色胺系统相关，帕金森(PD)主要与多巴胺系统相关，为不同类型痴呆的特异性临床表型提供了生物学依据，也为不同疾病提供潜在干预靶点。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8837