生物医学工程专业融合式课程体系建设探索

生物医学工程专业的一大特点是多学科的交叉和融合,这一特点为本科生培养课程体系建设提出了很大挑战。如何在有限的学时内,实现在知识体系上的良好融合,一直以来都是生物医学工程专业学生培养面临的难题;南方科技大学生物医学工程系基于本身专业发展特色,在融合式课程体系建设上进行了一些尝试,经过近两年的实践,效果良好。

单域抗体标记技术及生物医学成像应用(特邀)

单域抗体是从骆驼科动物体内发现的一类能有效识别目标抗原的小抗体片段。相较于传统单克隆抗体,单域抗体具有分子量小、亲和力高、理化性质稳定、免疫原性低、组织穿透力强等特点,是造影剂和靶标药物的理想载体,在基础研究和临床应用中吸引众多关注。系统介绍基于单域抗体的靶标探针在活细胞荧光成像、超分辨光学成像、活体荧光成像和核素成像等方面的研究和应用进展,并对单域抗体标记技术的未来发展和应用挑战进行展望。

基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像研究

生物组织散射引起的光学像差限制了光学系统的成像性能。本文研究了基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像技术。首先,制备了高效率近红外二区荧光探针,降低该波段生物组织的散射有助于实现高对比度的活体组织成像。其次,研究了基于间接波前测量的自适应光学方法,将间接波前整形技术应用于激光扫描共聚焦显微系统中,以实现对生物组织引起的光学像差的测量与补偿,获得生物组织的高信噪比成像。最后,对基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像系统开展了相关实验。实验结果表明,本系统对空气平板、散射介质和小鼠颅骨等产生的像差具有良好的补偿效果,最终信号强度较初始值分别提升了1.47、1.95和2.85倍,显著提升了最终的成像质量。

基于时延嵌入式隐马尔科夫模型的癫痫脑电分类算法

癫痫脑电的分类识别能够为癫痫的预警和病程的发展监测提供强有力的技术支持。传统的癫痫脑电分类识别方法需要从较长的时间序列中提取特征,难以刻画大脑的瞬态变化,检测低效且耗时,降低了癫痫预警的有效性。针对上述问题,提出一种基于隐马尔科夫模型的癫痫脑电分类算法。该方法通过时延嵌入式隐马尔科夫模型(time-delay embedded hidden Markov model,TDE-HMM)对脑电进行状态估计,并提取状态序列中的状态切换特征,通过多层感知机(multiple layer perceptron,MLP)实现对不同癫痫发作阶段脑电的有效辨识。实验结果表明,相较于小波变换、微分熵等传统特征,所提方法准确率高,能够有效刻画癫痫不同阶段的大脑状态变化,为癫痫脑电的分类识别和状态分析提供了新的备选方案。

β-烟酰胺单核苷酸霜在经皮护理中的功效机制

为探究实验室制备β-烟酰胺单核苷酸(NMN)霜的生物功效,借助小鼠光老化模型和自然衰老模型对NMN霜的抗衰老作用及生物安全性进行了评估。结果显示,NMN霜可以通过提高皮肤及血液中抗衰老因子(NAD+和SIRT3)、上调血液中过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活力及促进皮肤胶原纤维生成达到抗衰老效果;NMN霜治疗组小鼠的血液指标及五脏H&E染色结果相比对照组均无异常,提示NMN霜的生物安全性较高。

基于单片机的活体成像箱系统自动化控制

为了高效地进行活体生物成像实验,以及基于生物应用场景和成像仪器的开发要求,设计并实现了近红外二区活体成像箱的自动化控制。设计的主控模块为达芬奇开发板TKM32,实现自动化控制的主要元器件为数字舵机和步进电机。设计包括了时间门控成像、自动化升降平台、光源跟随系统、自动调焦等。本系统的自动化实现为生物医学工程领域小动物活体成像实验的研究提供了助力。

关节软骨表面力学性能与骨性关节炎的关系

目的随着骨性关节炎(OA)病情的不断恶化,关节软骨(AC)的力学性能也会随之发生改变。与之相对应,通过对AC力学性能的检测可以提早的检测OA发生,从而OA的早期治疗提供依据。正是由于AC力学性能的重要性以及在OA发病过程中的表现,已经有很多关于AC力学性能与OA相互关系的研究。然而,这些研究几乎都基于一个假设:AC表面不同区域力学性能没有差异。众所周知,AC不同表面区域所承受的载荷是不同的。

力敏感离子通道Piezo1分布与活性的力学调控及其与细胞转化态的关系

目的近十年来新发现广泛表达于多种组织细胞中的力敏感钙离子通道Piezo1在触觉/听觉感受,血压控制,免疫激活等生理过程中起到关键的力学感知作用。经典模型认为,Piezo1在细胞膜上扩散分布并在细胞膜局部表面张力起伏的作用下被激活,但其在细胞复杂生理过程中的调控还有很多未知问题尚待回答。方法通过一系列显微成像方法研究了Piezo1的时空分布与活性在不同种类细胞中的力学调控。

一种皮肤调理用霜的生物安全性研究

为了排除长期涂抹康体霜所造成的潜在毒性等风险,以实验小鼠作为研究对象,通过采集使用康体霜后的小鼠尿液、血液以及五脏来对康体霜进行慢性毒性、刺激性及其他潜在风险评价。初步结果显示,小鼠的尿常规检测、血常规检测及血生化检测数值均无明显异常,进一步结果显示,小鼠的心、肝、脾、肺、肾的H&E病理切片均未出现明显病变,证明了康体霜是一种生物安全性高的身体用霜,不存在明显毒副作用,符合产品质量安全有关要求。

癌相关成纤维细胞在非小细胞肺癌进展中的作用

癌相关成纤维细胞(Cancer-associated fibroblasts,CAFs)是基质和相关肿瘤微环境中的主要成分,在非小细胞肺癌(Non-small cell lung cancer,NSCLC)的发生发展过程中发挥重要的作用。研究表明,CAFs通过分泌多种类型的细胞因子、趋化因子、生长因子和细胞外基质蛋白,参与调控癌细胞的增殖、侵袭、转移和对化疗药物的耐药性。本文将从CAFs的来源、活化机制及其在NSCLC发生发展过程中的作用进行综述,以深入了解NSCLC进展机制并为其治疗提供新思路。

二次谐波在生物医学成像中的应用

二次谐波成像是近年来发展的一种新的光学成像技术,作为生物结构检测和耐久追踪标记的新工具已经受到广泛的关注。二次谐波成像技术避免了经典荧光探针会遇到的许多固有缺点,是一种理想的活体成像方法,具有很好的生物医学应用前景。本文系统介绍了二次谐波原理及其成像装置,二次谐波介质分类及特点,二次谐波在生物医学成像中的应用,最后对二次谐波成像未来的机遇和将要面对的挑战进行了展望。

小型化光声成像技术在生物医学领域的研究进展

光声成像具有无损、高分辨率、高对比度等特点,在心脑血管研究、肿瘤研究、脑科学研究与疾病初期诊断等领域有广泛的应用。随着光机电技术的进步,小型化光声成像技术得到了较快发展。本文围绕光声成像系统的小型化与集成化应用,分别对光声成像在手持式、可穿戴式、便携式和内窥式方面的研究进展进行了综述。

髋关节助力外骨骼机器人研究现状

人口老龄化已经成为世界发展的普遍趋势。据联合国发布的2019年世界人口展望估计,65岁以上的全球人口占比将从2019年的9%增至2050年的16%[1]。自2000年我国人口老龄化的社会状况不断加剧,人口老龄化和医疗康复问题日益严峻[2-5],如居家养老护理等生活问题,以及脑卒中等容易引起下肢运动功能障碍的相关疾病[4-7]。

一种高糖群体身体护理霜的功效及机理研究

研究了一种适合于高糖人群日常护理产品。通过配方筛选获得了天然植物提取物组合,其主要功效成分为苹果提取物、茶提取物。通过建立小鼠高糖模型并在其皮肤上使用本产品(糖肤霜)一个周期后,除研究了对皮肤的护理效果外,还检测了空白组与实验组小鼠的空腹血糖与血脂指标、皮肤与血液内的各项细胞因子表达以及五脏的病理学染色等,以此评估糖肤霜结合周期使用,对机体的血糖变化、抗氧化效果及生物安全性等影响。结果显示,糖肤霜可以提高小鼠皮肤中的过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性,抑制氧化应激,还监测了小鼠的空腹血糖及血液指标,通过对五脏切片观察,糖肤霜不会引起脏器损伤。因此,以苹果提取物和茶提取物为主要成分的糖肤霜是一种适用于高糖群体、抗氧化及良好生物安全性的身体用霜。

中红外可调谐大能量飞秒脉冲激光产生

可调谐中红外飞秒光纤激光器具有非常普遍的应用,从而引起了人们的广泛关注。目前,非线性光纤中的拉曼孤子自频移效应是实现大范围可调谐飞秒脉冲激光的理想方法之一。然而,非线性光纤中其他高阶非线性效应的产生通常会限制拉曼孤子脉冲的能量提升。本文提出了利用有源掺杂光纤作为非线性介质和增益介质实现可调谐大能量中红外飞秒激光脉冲的方法。在理论上研究了有源掺杂非线性光纤中高阶孤子劈裂和孤子自频移效应的产生,以及线性增益对波长移动拉曼孤子能量、脉宽、光谱的影响。结果表明,通过为波长红移的低能量拉曼孤子提供线性增益,孤子脉冲的能量得到了显著提升且保持了其单脉冲特性,脉冲宽度为45 fs,且孤子脉冲的波长可通过所提供的增益进行大范围调谐。因此,利用有源掺杂光纤作为非线性介质是实现大能量可调谐中红外飞秒脉冲激光的一种有效方法。

载VEGF及bFGF泊洛沙姆温敏凝胶的制备及其对大鼠皮肤创伤修复的促进作用

目的制备载血管内皮细胞生长因子(VEGF)及碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的泊洛沙姆温敏凝胶,研究其体外释药性能,以及载药温敏凝胶修复大鼠全层皮肤缺损创面的治疗效果。方法运用有膜释药法测定制备的载药凝胶体外释药效果;建立大鼠全层皮肤缺损模型,按照治疗用药种类分为4组,即生理盐水组(Control)、泊洛沙姆温敏凝胶组(Gel)、VEGF及bFGF冻干粉组(VEGF/bFGF冻干粉)、载VEGF及bFGF泊洛沙姆温敏凝胶组(VEGF/bFGF载药凝胶)。创伤后3、7和14 d,进行创面愈合程度观察,并取创面行苏木精-伊红染色,显微镜下观察创面修复情况、炎症反应,免疫组织化学染色法检测创面CD31的表达并计数新生血管数目,ELISA检测创面中炎症因子的含量。结果成功制备了载VEGF及bFGF泊洛沙姆温敏凝胶,体外释药结果显示,VEGF及bFGF从载药凝胶中1 h释药量仅为5%,在第5天释药量约达到60%,提示VEGF/bFGF载药凝胶具有良好的持续药物释放行为;载药凝胶的模型大鼠皮肤损伤修复实验结果显示,致伤14 d后,VEGF/bFGF载药凝胶组中创面愈合率达到(90.3±2.4)%,显著高于其他组(P<0.05)。伤后3 d,与Control组和Gel组比较,VEGF/bFGF载药凝胶组IL-6和TNF-α水平显著降低(P<0.05)。HE染色表明,VEGF/bFGF载药凝胶组及VEGF/bFGF冻干粉组的大鼠伤口愈合良好,新生血管数量较多,表皮层出现较早。免疫组化结果进一步证实,VEGF/bFGF载药凝胶组和VEGF/bFGF冻干粉组的新生血管数量均显著高于Control组(P<0.05)及Gel组(P<0.05)。结论本文研究制备的VEGF/bFGF载药泊洛沙姆温敏凝胶可用于修复大鼠全层皮肤缺损创面,其可降低创面早期炎症反应,促进创面血管新生,从而加速创面愈合。

超分辨率成像荧光探针材料应用进展

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。

穿戴式绳驱外骨骼在脑卒中后康复中的应用及前景

2016年全球疾病负担调查数据表明,脑卒中是造成我国寿命损失的首要病因[1]。同时,脑卒中的致残率高,患者身体运动功能因脑卒中受损,严重的将造成偏瘫。脑卒中患者的日常生活依赖于他人的帮助,其独立参与社区活动的能力受限,生活质量大幅降低[2]。研究表明,脑卒中早期若进行积极的康复训练可以诱导大脑的神经可塑性,从而促进患肢的康复[3]。相比于传统的理疗师康复,外骨骼设备以其能够提供更高密度和更佳重复精度的辅助康复这一突出优势,开始被广泛投入到脑卒中后不同阶段的康复治疗中[4—5]。

基于新型磁分离技术的高分辨率DNA片段筛选技术

游离DNA作为液体活检的目标检测物,能够用于疾病的检测,但游离DNA在样本中的含量低,且片段差异小,常规方法很难实现对特定片段长度游离DNA的筛选。这种基于新型磁分离技术对游离DNA进行高分辨率筛选的方法,使用自主合成的两种不同修饰的磁珠,在沉降剂的作用下,能够实现长短片段DNA的分别回收。通过对血浆样本中游离DNA进行富集,实现了150 bp以下DNA片段的富集,并经由临床样本验证,这一技术能够实现母体血浆样本中胎儿游离DNA的富集,可在无创产前诊断样本处理环节提前检测窗口、提高检测灵敏度等。DNA片段筛选在基因测序领域是不可或缺的环节,高分辨率筛选可降低下游测序深度、节约测序成本等,可应用于肿瘤的早期筛查、无创产前诊断和免疫缺陷型疾病筛查领域。

DNA数据存储:保存策略与数据加密

随着信息技术和互联网应用的不断升级,人类社会进入数据爆炸式增长的时代。为缓解海量数据与存储技术不足之间的矛盾,人们开始寻求新一代的存储方式。DNA作为一种新兴的数据存储媒介,具有巨大的发展潜力,其优势包括超高的数据存储密度(理论可达现有技术106倍)、能耗低以及寿命长(理论可达数十万年)。这些特点可有效克服传统存储介质如硬盘、光盘和固体闪存等的不足。本文以DNA数据存储为主线,阐述了DNA数据存储的基本理论和工作流程,重点介绍了DNA保存的方法与策略研究进展,简要总结了信息安全与数据加密的最新研究成果,最后讨论DNA数据存储现阶段面临的主要挑战及发展趋势,特别是,DNA数据存储效率提升、存储读取高度集成自动化以及数据加密新策略等方面将是DNA数据存储的重要研究方向。相信随着合成生物学的不断发展,DNA数据存储将成为未来最具应用潜力的新型存储方式。