过渡金属掺杂磁性纳米粒子在生物医学领域中的研究进展

在过去50多年中,磁性纳米粒子(MNPs)由于其可协调的磁性、非侵入性、易操控性和良好的生物相容性等优点得到了广泛的关注。从具有复合结构或不同形状的MNPs的合成方法到与MNPs相关的大量表征技术,其应用领域也与我们的生活紧密相关。然而,MNPs的复杂磁行为受到多种参量的影响,包括粒径、成分、形状和结构等。基于此,通过调节MNPs的主要参量提高其磁功能效果对后续的材料设计和应用具有重大的参考意义。其中,二价过渡金属离子的掺杂是影响MNPs各种磁性能(如磁矩(μ)、饱和磁化强度(M_(s))、矫顽力(H_(c))、磁晶各向异性(K)和弛豫时间(τ_(N)和τ_(B))等)重要参量之一。因此,本文着重介绍了通过向磁性纳米材料中掺杂过渡金属离子来精确调控其磁性的相关机理研究,并介绍了掺杂过渡金属离子的MNPs在生物成像检测(磁共振成像和磁性粒子成像)、药物精准递送和肿瘤治疗以及生物传感方面的潜在机制和所取得的最新进展,最后总结了目前MNPs所面临的一些挑战以及未来发展的趋势。

基于力跟踪的上肢康复机器人系统中视觉与触觉反馈融合技术研究

目的针对现有上肢康复训练系统提供视觉和触觉反馈无法关联的问题,本文以自主研发的末端牵引式上肢康复机器人为基础,研究基于力跟踪的视觉与触觉反馈融合技术及其对于上肢训练的效果。方法在虚拟环境中构建力学模型的基础上,本文设计两种与视觉反馈融合的触觉反馈,分别为两物体间靠近时的排斥力以及物体在介质平面移动时的摩擦力,进而采用基于力跟踪的机器人控制算法将虚拟环境中构建的力反馈通过操纵杆传递给用户。招募8例健康受试者,分别在有无反馈融合模式下进行对照训练。在训练过程中采集受试者与系统的实际和期望力反馈,以及三角肌前束、三角肌后束、肱二头肌和肱三头肌的表面肌电信号。计算有反馈融合模式下期望与实际力反馈之间的均方根误差,用于表征基于力跟踪的多感觉反馈融合效果。计算两种模式下的肌电积分值(i EMG)和单位时间内肌电幅值(EMG/T)以探究融合反馈技术对上肢运动训练的影响。结果在有反馈融合模式下,实际与期望交互力反馈的均方根误差为(0.757±0.171) N;肱二头肌、肱三头肌、三角肌前束和后束的i EMG均显著大于无反馈融合模式下(|t|> 7.965, P <0.001);前三块肌肉的EMG/T显著大于无反馈融合模式下(|t|> 6.363, P <0.001)。结论设计的上肢康复机器人训练系统可以精确地将虚拟环境中构建的力反馈传递给用户,通过视觉与触觉融合增加机器人系统对于训练者外周神经功能的刺激,促使训练者付出更多的努力。基于力跟踪的视觉与触觉反馈融合技术的优势在于可以在虚拟环境中自由构建力学模型,力反馈模式不受空间位置的限制,且可以在同一位置叠加两种以上的力学模型,从而使力反馈效果与虚拟环境中的视觉反馈更加匹配,激发训练者的运动康复兴趣,增强人机交互体验感。

蛋白酶靶向的荧光纳米诊疗探针研究进展

蛋白酶是生物系统生长发育、营养代谢等活动中必不可少的基础大分子催化物质,是生命医学领域一直以来关注的重点。研究表明,大多数疾病的发生伴随着蛋白酶的表达异常,某些特定蛋白酶成为一些疾病的生理标志物,因此开发蛋白酶响应诊疗探针可对相应的疾病诊断和治疗提供帮助。荧光成像具有实时、无创、空间分辨率高等特性,而纳米诊疗探针通过合理设计可实现蛋白酶响应荧光成像的同时整合其它治疗方式于同一纳米平台,达到成像和治疗一体化的良好效果。总结了靶向基质金属蛋白酶、组织蛋白酶、半胱天冬氨酸蛋白酶、胰蛋白酶和一些其它类型(如成纤维细胞激活蛋白等)蛋白酶的纳米荧光诊疗探针的成像设计原理及生物医学应用,希望促进新型低毒、高性能的蛋白酶响应型纳米荧光探针的开发,并早日实现临床转化。

基于交互力模糊识别的上肢康复机器人模式调整控制策略研究

在上肢康复机器人辅助训练过程中,对于软瘫期脑卒中患者通常采用被动训练策略。为了激发患者的主动康复意愿,对于逐渐具备主动发力能力的患者,康复治疗师会采用机器人助动训练策略。本文针对末端牵引式上肢康复机器人,提出一种基于交互力模糊判别的人体上肢运动功能评估方法以及按需辅助的人机交互控制策略。首先设计了基于计算力矩控制器的被动训练和结合势能场的助动训练模式,然后将训练过程中三维力传感器采集的交互力信息引入至模糊推理系统中,提出了主动参与度σ,并设计相应的辅助策略算法实现两种训练模式的自适应调整。最后通过试验证明了主动参与度σ与表面肌电信号之间的相关性。并且,相较于仅通过交互力大小进行模式调整的控制策略,该方法具有更快的响应速度,使机器人在训练过程中更具安全性。

功能化医用聚氨酯弹性体制备及生物医用研究进展

热塑性聚氨酯(TPU)弹性体因其良好的可加工性、机械性能和生物安全性而被广泛应用于生物医学领域.绝大部分TPU都由大分子二元醇软段以及异氰酸酯和小分子扩链剂形成的硬段组成,这两者分别提供基体的弹性与链网络的框架刚性.小分子扩链剂二元醇/胺和二异氰酸酯的结构设计是构建功能化TPU的主要途径.研究者根据特定临床应用场景和使用需求,设计和制备相应的功能化单体,并开发出相应的医用TPU.本综述首先介绍了大分子二元醇、二异氰酸酯以及扩链剂的种类以及各自的特点,对其特有的微相分离结构做了介绍,并明晰了化学/物理结构与最终性能的关系.随后,综述了国内外TPU在生物医学领域的研究进展和应用,重点阐述了医用TPU在抗菌、抗凝血、耐水解耐氧化、自愈性以及可降解等方面的发展情况.最后,通过总结和分析医用TPU及其器械评价的相关标准,提出了产业化应用的关键问题,并展望了医用TPU未来的发展方向.

基于图案化柔性织物电极的非接触式多体位睡眠心电监测系统

现有非接触式睡眠心电监测技术对于人体多体位的心电信号有效获取存在一定局限性。本研究设计了一种隔着衣服与床单能够获取人体多体位睡眠心电信号的监测系统。采用柔性导电织物作为电极材料,将心电采集电极制成拱门型状,利用电容耦合感应变化电场,把心电信号从人体耦合至织物电极。采用10 GΩ的高阻值电阻作为偏置电阻,结合高输入阻抗的仪表放大器对信号进行差分处理。使用数字滤波技术去除心电信号中的噪声,运用状态机逻辑算法自动提取心电信号的波形特征。通过人体试验对比分析了本系统与条状型非接触式电极以及接触式心电采集系统获取的心电信号质量。结果表明,该系统在非皮肤接触条件下可以获取良好的睡眠心电信号,R波检出率在95%以上。