近期產(chǎn)品庫收錄的生物醫(yī)用材料領(lǐng)域新材料、新方法如下：

注：產(chǎn)品介紹部分來源于對應(yīng)高校官網(wǎng)相關(guān)介紹。

二維卟啉MOF(CuTCPP)

對于由多種口腔病原體引起的牙周炎等慢性疾病，傳統(tǒng)的手術(shù)干預(yù)和抗生素治療效果差，甚至無效，往往導(dǎo)致組織的進(jìn)行性破壞，甚至牙齒脫落，以及全身性疾病。在此，天津大學(xué)吳水林、MIT張興才、湖北大學(xué)劉香梅等人通過原子層沉積設(shè)計了一種原子層Fe2O3修飾的二維卟啉MOF(CuTCPP)系統(tǒng)(CuTCPP- Fe2O3)，將其摻入聚乙二醇基質(zhì)中以形成光響應(yīng)軟膏。經(jīng)過原子層沉積表面工程后，增強(qiáng)了二維光催化活性，MOF異質(zhì)界面具有較低的吸附能和較高的電荷轉(zhuǎn)移量，這主要是由于金屬-連接鍵橋接單元的協(xié)同作用、豐富的活性位點(diǎn)和良好的聚光網(wǎng)絡(luò)。這使得這種表面工程化的二維MOF異質(zhì)結(jié)通過局部活性氧（ROS）和釋放離子的協(xié)同作用對多種口腔病原體具有廣泛的抗菌活性。這種光動力離子療法具有快速的抗菌活性，緩解炎癥，改善血管生成，比臨床報道的牙周炎治療具有更好的治療效果。相關(guān)研究以“2D MOF Periodontitis Photodynamic Ion Therapy”為題目，發(fā)表在JACS上。

3D 打印仿生耳蝸

來自劍橋大學(xué)的學(xué)者提出了3D打印-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合建模來解釋人工耳蝸植入患者的電場成像剖面。通過可調(diào)的電子解剖學(xué)，3D打印耳蝸可以在非刺激位置復(fù)制電場成像輪廓的臨床場景。聯(lián)合建模框架展示了對患者概況或耳蝸幾何形狀的自主和強(qiáng)大的預(yù)測，揭示了導(dǎo)致電流擴(kuò)散的電解剖因素，輔助按需打印進(jìn)行植入測試，并推斷出患者體內(nèi)的耳蝸組織電阻率(估計平均值=6.6kΩcm)。本文預(yù)計該框架將促進(jìn)神經(jīng)調(diào)節(jié)植入物的物理建模和數(shù)字孿生創(chuàng)新。3PNN被證明可以預(yù)測非刺激EFI和從臨床患者CT收集的幾何參數(shù)之間的關(guān)系，而不需要模型調(diào)整和重新校準(zhǔn)。用4種不同CI類型的臨床EFI資料進(jìn)行了驗證，31個預(yù)測中有28個預(yù)測準(zhǔn)確率較好，MAPE<12%。因此，聯(lián)合建模框架具有預(yù)測不同制造商的CI刺激性能的潛在能力，從而輔助開發(fā)適合患者耳蝸解剖的CI電極陣列。與傳統(tǒng)的動物和身體模型相比，這里提出的“打印和學(xué)習(xí)”的建模概念提供了一種物理可操作、符合倫理和經(jīng)濟(jì)的方法，這可能有助于減少對動物實驗的需求。與FEM互補(bǔ)，3PNN可以為未來用于CI測試的耳蝸數(shù)字雙胞胎奠定基礎(chǔ)。隨著神經(jīng)調(diào)節(jié)型電子植入物的使用越來越多，“打印-學(xué)習(xí)”聯(lián)合建模概念可以促進(jìn)其他生物電子植入物原型的物理建模和數(shù)字孿生創(chuàng)新。相關(guān)工作以題為“3D printed biomimetic cochleae and machine learning co-modelling provides clinical informatics for cochlear implant patients”的研究性文章在Nature Communications上發(fā)表。

人工視覺神經(jīng)系統(tǒng)

河北大學(xué)閆小兵團(tuán)隊聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)劉琦教授團(tuán)隊受生物視覺系統(tǒng)工作模式的啟發(fā)，提出了一種完全基于憶阻器的人工視覺感知神經(jīng)系統(tǒng)（AVPNS），它由光電憶阻器和閾值開關(guān)（TS）憶阻器組成，分別來模擬神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)突觸和神經(jīng)元。該系統(tǒng)成功模仿了生物視覺系統(tǒng)的基本功能，實現(xiàn)了圖像感知。此外，該系統(tǒng)概念性地應(yīng)用在了無人駕駛汽車中，模擬了無人駕駛汽車會車過程中的汽車速度調(diào)節(jié)過程。該成果表明基于憶阻器的硬件系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的模擬生物視覺神經(jīng)系統(tǒng)的功能，從而擴(kuò)展憶阻器在AI中的應(yīng)用范圍，為人工神經(jīng)系統(tǒng)的研究提供了全新的思路。該成果以“Artificial Visual Perception Nervous System Based on Low-dimensional Material Photoelectric Memristors”為題在知名期刊ACS Nano在線發(fā)表。

Pt單原子納米酶

清華大學(xué)王定勝副教授和北京理工大學(xué)梁敏敏教授（共同通訊作者）等人報道了一種新穎而有效的策略，即通過逆轉(zhuǎn)熱燒結(jié)過程將鉑納米顆粒（Pt NPs）直接霧化成單原子，從而獲得熱穩(wěn)定的高性能Pt單原子納米酶（PtTS-SAzyme）。將Pt NPs原子化為單原子使金屬催化位點(diǎn)充分暴露，并且產(chǎn)生可調(diào)控的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，從而顯著提高酶的性能。實驗測試發(fā)現(xiàn)，所制備的熱穩(wěn)定Pt單原子納米酶（PtTS-SAzyme）表現(xiàn)出顯著的類過氧化物酶催化活性和動力學(xué)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Pt納米顆粒納米酶。通過密度泛函理論（DFT）計算表明，經(jīng)過改造的P和S原子不僅促進(jìn)了從Pt NPs到PtTS-SAzyme的原子化過程，而且由于P原子的給電子性以及N和S原子的吸電子性，使得單原子Pt催化位點(diǎn)具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，有助于大幅提高PtTS-SAzyme的類酶催化性能。該工作表明，將金屬納米顆粒熱原子化為單原子納米酶是構(gòu)建高性能納米酶的有效策略，為合理設(shè)計和優(yōu)化模擬天然酶開辟了一條新途徑。研究成果以題為“Thermal Atomization of Platinum Nanoparticles into Single Atoms: An Effffective Strategy for Engineering High-Performance Nanozymes”發(fā)布在國際著名期刊 J. Am. Chem. Soc.。

可降解多孔骨修復(fù)生物材料

廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所吳婷婷博士與廣東省人民醫(yī)院研究員陳元峰、暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院副研究員張還添等研究團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)一種負(fù)載微量元素（鍶）和中藥單體（人參皂苷Rg1）的可降解多孔骨修復(fù)生物材料，并發(fā)現(xiàn)其能促進(jìn)骨質(zhì)疏松（osteoporosis，OP）大鼠臨界尺寸顱骨缺損修復(fù)。他們將該生物材料與機(jī)械和降解性能可調(diào)的絲素蛋白—明膠復(fù)合生物材料一起構(gòu)建仿生骨組成的多孔支架。植入OP大鼠臨界尺寸顱骨缺損時，支架能在骨修復(fù)的同時發(fā)生降解，降解速度與骨再生速度較為匹配，并明顯提高了新生骨量和骨密度。研究成果以“Bioactive strontium ions/ginsenoside Rg1–incorporated biodegradable silk ?broin-gelatin scaffold promoted challenging osteoporotic bone regeneration”為題發(fā)表于Materials Today Bio。

微生物催化生物陶瓷

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊提出微生物催化活性礦物誘導(dǎo)成骨的思想，并利用微生物催化作用構(gòu)建生物陶瓷支架表面微納米結(jié)構(gòu)用于骨組織再生。受自然界中微生物礦化現(xiàn)象的啟發(fā)，研究團(tuán)隊通過微生物催化作用在傳統(tǒng)陶瓷材料（硅酸鹽）表面生長出具有生物活性的納米碳酸鈣礦物，將傳統(tǒng)陶瓷材料與微生物基活性材料相結(jié)合用于骨組織工程。研究團(tuán)隊利用產(chǎn)脲酶菌（S.cohnii）的代謝作用在陶瓷材料表面誘導(dǎo)出均勻的生物礦化層 。在這個過程中，微生物首先粘附在基底陶瓷表面，在脲酶和碳酸酐酶的催化下提升微環(huán)境中的pH與CO32-濃度。同時，細(xì)菌細(xì)胞壁表面的負(fù)電性基團(tuán)吸附Ca2+，促進(jìn)碳酸鈣顆粒的結(jié)核與生長。微生物在陶瓷材料表面構(gòu)建的納米碳酸鈣礦物明顯抑制了硅酸鈣陶瓷的快速降解，并對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細(xì)胞生物活性具有更好的促進(jìn)作用。在皮下植入和大塊骨缺損修復(fù)動物實驗中，微生物催化的表面生物材料具有良好的生物相容性，表現(xiàn)出顯著的促骨組織再生的優(yōu)良生物活性。綜上所述，微生物催化的生物活性材料用于骨組織再生是一種微生物與組織工程相結(jié)合的新方法，這種策略為生物醫(yī)學(xué)材料的制備提供了新思路。該研究成果以“Microbially Catalyzed Biomaterials for Bone Regeneration”為題發(fā)表在Advanced Materials上，并申請專利一項。

紫杉醇的高效全合成

紫杉醇（Taxol）是目前市場上最優(yōu)秀的天然抗腫瘤藥物之一，被認(rèn)為人類未來20年內(nèi)最有效的抗癌藥物之一，然而，紫杉醇原料匱乏，目前主要通過植物提取分離、然后采用半合成的方法來獲得，因而該藥品的價格昂貴。從結(jié)構(gòu)上來看，紫杉醇具有高度氧化的、復(fù)雜的[6-8-6]橋環(huán)體系和11個手性中心（包括多個季碳中心），被化學(xué)界公認(rèn)為是有機(jī)合成歷史上最具挑戰(zhàn)性的天然產(chǎn)物分子之一。南方科技大學(xué)李闖創(chuàng)團(tuán)隊一直致力于具有高張力橋環(huán)體系的天然產(chǎn)物全合成研究。該團(tuán)隊前后歷經(jīng)8年，發(fā)展了新的合成策略，于近期完成了紫杉醇的不對稱全合成。研究團(tuán)隊經(jīng)過巧妙的底物設(shè)計，采用二碘化釤介導(dǎo)的頻哪醇偶聯(lián)反應(yīng)為關(guān)鍵策略，首次在分子的底部成功關(guān)上合成挑戰(zhàn)性很大的八元環(huán)。研究團(tuán)隊通過21步，實現(xiàn)紫杉醇的高效不對稱全合成，這也是目前為止國際上最短的紫杉醇全合成路線。此外，該研究還發(fā)展了光照條件下仿生的單線態(tài)氧氣的烯反應(yīng)構(gòu)建C4-C20環(huán)外雙鍵與C5-羥基，還發(fā)明了一鍋法C2-位苯甲酸酯合成/引入C13位側(cè)鏈的串聯(lián)反應(yīng)。這些新發(fā)展的反應(yīng)，極大地提高了合成的效率。該全合成采用匯聚式的多樣性合成策略，所有的中間體都是新的化合物，為開發(fā)更優(yōu)秀的紫杉烷類抗腫瘤藥物提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，為開發(fā)高效低毒的抗癌藥物提供了新的機(jī)遇。研究成果以題為“Asymmetric Total Synthesis of Taxol”發(fā)表于JACS。

水凝膠粘合劑

上海交通大學(xué)朱麟勇教授、林秋寧研究員團(tuán)隊與上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院蔣欣泉教授研究團(tuán)隊合作，借鑒了體內(nèi)蛋白亞硝基化（SNO化，一種蛋白翻譯后修飾）反應(yīng)具有瞬時完成的特點(diǎn)，發(fā)展了一種快速、非自由基的光偶聯(lián)反應(yīng)——光誘導(dǎo)巰基與亞硝基交聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建水凝膠粘合劑用于口腔黏膜修復(fù)。該水凝膠粘合劑由環(huán)狀鄰硝基芐基化合物修飾的透明質(zhì)酸大分子單組份構(gòu)成。光照時，環(huán)狀鄰硝基芐基化合物光釋放巰基、亞硝基、醛基三個活性基團(tuán)，其中巰基與亞硝基交聯(lián)快速成膠，醛基則與組織表面的蛋白氨基鍵合實現(xiàn)膠層與組織的粘附固定。該非自由基光偶聯(lián)反應(yīng)規(guī)避了自由基聚合體系的氧阻聚問題，但交聯(lián)速度可完全媲美自由基聚合體系（成膠時間<5s），所構(gòu)建的水凝膠粘合劑具有薄（厚度<0.4 mm）、粘(組織粘合強(qiáng)度>40 kPa)、彈（140%形變范圍內(nèi)可任意循環(huán)拉伸）、可降解的特性，能夠長效（超過24小時）保護(hù)粘膜傷口不受液體沖洗、口腔運(yùn)動和摩擦等干擾。該新型水凝膠粘合劑具有簡便的操作性，優(yōu)異的濕性組織粘附力和適配的機(jī)械強(qiáng)度，可適應(yīng)于口腔黏膜所處的復(fù)雜生理環(huán)境，為口腔黏膜病局部治療提供了新材料與新策略，有望幫助患者擺脫口腔潰瘍等疾病帶來的困擾。相關(guān)成果以“Promoting Oral Mucosal Wound Healing with a Hydrogel Adhesive Based on a Phototriggered S-Nitrosylation Coupling Reaction”為題發(fā)表在Advanced Materials上。