细胞膜作为选择性屏障, 严格调控细胞内外物质交换, 但也限制了外源性分子的高效导入与细胞内物质的无损提取。 如何突破细胞膜的限制, 成为生物医学研究的核心挑战。 可逆电穿孔 (RE) 技术, 通过调控脉冲电场, 在维持细胞活性的同时, 形成纳米级孔道, 可以短暂提高细胞膜通透性, 以实现分子跨膜双向转运。 随着电场控制技术的日益成熟, 并通过与微纳器件的融合, RE 在递送效率、 细胞通量及操作精度上实现显著提升, 为生物研究与精准医疗提供了新途径。 本综述总结 RE 技术的研究进展, 阐述其核心作用机制, 探究关键调控参数, 并分类阐述各类新型 RE 微纳器件的设计原理与性能优势。在此基础上,重点介绍 RE 在细胞内检测、 细胞工程、 药物递送及细胞采样等领域的前沿应用, 并展望其在分子机制图谱构建与个性化精准医疗中的发展趋势, 为 RE 技术的进一步优化及转化应用提供参考。

Reversible electroporation; Biochip; Cell analysis; Gene/Drug delivery; Cell sampling

心血管疾病 (CVDs) 作为全球首要致死因素, 其晚期治疗仍面临自体移植物固有局限性以及同种异体移植物长期失效的挑战, 亟需开发新型合成血管移植物以满足临床需求。 尽管大口径(>6 mm)人工血管已在临床应用中取得成功, 但小口径 (<6 mm) 合成血管移植物 (SSDVGs) 仍存在顺应性不匹配、 内皮化不足、 内膜增生和血栓形成等突出问题, 这些因素共同导致其长期通畅性受限。 近年来, 材料科学与制造技术虽已取得显著进展, 然而 SSDVGs 在对机械性能与生物整合至关重要的仿生设计优化方面仍显不足, 因而持续制约其临床转化。 为此, 本文系统综述了受天然血管结构启发的 SSDVGs 仿生设计策略最新进展。 主要内容包括: 适用于 SSDVGs 的合成聚合物材料; 旨在改善顺应性的仿生结构设计, 如基于纤维、 分段、 嵌入及分层等构型; 表面图案化调控策略, 通过引导内皮细胞迁移与增殖以促进原位内皮化; 以及表面功能化改性策略, 通过引入抗凝剂、 生长因子及细胞或基因调控因子等, 以提高血液相容性并预防血栓形成。 此外, 本文总结了该领域当前面临的主要技术挑战, 并展望了未来的研究方向。 总体而言, 综合仿生设计策略为提升 SSDVGs 性能并拓展心血管疾病治疗的临床选择提供了有前景的途径。

Small-diameter vascular grafts; Biomimetic design; Mechanical properties; Endothelialization; Vascular tissue engineering

断层体积生物打印 (TVBP) 是生物制造领域的一项新兴变革性技术, 其具有两项卓越的能力: 超快速制造 (在数十秒内完成厘米尺度结构的构建) 和与超软生物墨水的独特兼容性 (<102Pa)。 尽管具有这些潜力, TVBP 仍处于起步阶段, 但仍面临重大阻碍, 包括需要使传统的光固化生物墨水适应 TVBP 独特的光聚合要求, 并实现足够的分辨率来复刻复杂的多细胞结构。 因此, 本文概述了应对这些挑战的策略, 包括 (1) 开发合适的生物墨水; (2) 优化打印分辨率; (3) 快速构建复杂的生物结构和功能。 此外, 本文还探讨了投影切片算法的基本原理和发展过程, 总结了 TVBP 的最新应用进展。 最后, 我们探讨了这一极具前景的生物制造技术的未来发展轨迹。

Volumetric printing; 3D printing; Bioprinting; Bioinks; Printing resolution

声场与流体微环境的高效耦合, 对于推动应用物理与微流控工程在高端生物医学领域、 环境可持续领域及更广泛的工业领域的应用具有关键意义。 利用声场与流体的相互作用开展生物处理, 可实现精准、 非接触、 可调控的细胞膜破裂, 进而实现无试剂、 低污染的细胞裂解。 然而现有声学裂解器件仍存在裂解效率受限、 器件结构复杂的问题。 为解决上述问题, 本研究研制了一种基于交错型声表面瑞利行波 (STRAW) 的微流控芯片, 实现无添加条件的细胞裂解。 该芯片以铌酸锂为基底, 基底表面刻蚀有两组叉指换能器, 同时集成聚二甲基硅氧烷圆形环腔以限制细胞悬液扩散。 本研究构建了交错型声表面瑞利行波诱导力学效应的数学模型, 并通过理论建模与有限元分析对叉指换能器的对准方式进行优化, 实现扭矩与声流效应的最大化。 实验结果表明, 所提出的交错型声表面瑞利行波微流控平台在 30 秒内, 对 MC3T3-E1 哺乳动物细胞、 革兰氏阴性大肠杆菌及革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的裂解效率均超过 95%。 该芯片设计实现了无添加、 结构简单的声学细胞裂解, 且在受试细胞类型中均表现出良好的适配性。 除基础细胞裂解应用外, 该通用型平台还可拓展至即时诊断、 食品与环境安全监测领域。 本研究揭示了流体结构–波的相互作用机制对高性能、 低复杂度微流控系统中流体力学与应用物理研究的指导价值, 为交错型声表面瑞利行波诱导的声流效应在诊断、 工业及科研领域的广泛应用奠定了基础。

Staggered traveling-surface Rayleigh acoustic wave (STRAW); Acoustic streaming; Microfluidics; Microchip for additive-free cell lysis (MAC); Sustainability

先进治疗药物 (Advanced Therapy Medicinal Products, ATMPs) 作为具有持续生物学效应的生物制品, 其安全性与有效性需经过长期、 系统的评估。 组织工程产品的研发不仅需要充分考虑组织特异性结构与功能特征, 还需兼顾临床手术需求、 生物材料相容性、 宿主组织整合能力以及潜在的免疫反应风险。 本研究构建并在多种临床前模型中系统评估了含细胞 3D 生物打印骨再生构建体的安全性与有效性。 研究选用三种人源间充质干细胞——骨髓来源、 脂肪来源及鼻甲来源间充质干细胞, 并将其与不同浓度比例的胶原蛋白与聚己内酯 (polycaprolactone, PCL) 复合, 用于构建 3D 生物打印支架。 安全性评价方面, 研究开展了全面的致瘤性评估, 包括在多种培养条件下进行的细胞活性检测、 蛋白表达定量分析以及全基因组测序, 以验证细胞遗传稳定性并降低潜在致瘤风险。 短期毒性通过将构建体皮下植入裸鼠进行评估, 血液学和血清学检测结果显示未观察到急性毒性反应, 主要脏器亦未出现明显的组织学异常。 在有效性研究中, 通过兔骨缺损模型评估构建体的成骨潜能及移植后安全性。 移植后随访分析显示, 各构建体均表现出良好的生物安全性。 6 个月组织学与分子分析结果表明, 含人源鼻甲来源间充质干细胞的构建体中骨桥蛋白 (osteopontin) 和 runt 相关转录因子 2 (RUNX2) 的表达水平显著升高, 提示构建体与宿主组织成功整合, 并诱导了特异性的成骨相关分子表达。 长期随访进一步证实了构建体结构稳定性及持续的新骨形成能力。 综上所述, 本研究强调了在 3D 生物打印骨再生构建体研发过程中, 对不同细胞来源及构建体组成进行系统性安全性与有效性评估的重要性。 该研究建立了一套用于临床前阶段材料筛选与验证的系统化评价框架, 为 3D 生物打印技术在再生医学与组织工程领域的临床转化奠定了坚实基础。

Mesenchymal stem cells; 3D printing; Bioprinting; Acute toxicity test; Transplantation

感染性皮肤创面因伴随持续的细菌感染及炎症反应迁延难愈, 仍是临床面临的一项棘手难题。 本研究通过席夫碱反应将抗菌肽 (AMPs) 接枝到氧化海藻酸钠 (OSA) 并负载银纳米颗粒 (AgNPs), 构建了一种多功能光固化海藻酸钠基水凝胶体系。 该体系将 AMP@OSA 与甲基丙烯酸海藻酸钠 (AlgMA) 混合后经紫外光固化形成网络水凝胶, 具有针对感染创面酸性微环境的 pH 响应性释放特性。 体外实验证实, 该水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著抗菌活性, 能有效抑制生物膜形成, 且细胞毒性和溶血率极低, 生物相容性良好。 在大鼠背部全层感染创面模型中, 应用 AMP-AgNPs@OSA 水凝胶显著加速了创面愈合, 增强了上皮再生促进了胶原沉积。 机制研究表明, 该水凝胶通过诱导巨噬细胞向抗炎 M2 型极化来调控免疫微环境, 从而减轻炎症反应并促进组织再生。 综上所述, AMP-AgNPs@OSA 水凝胶作为一种兼具抗感染与促修复功能的多功能敷料, 在治疗感染性皮肤缺损方面具有广阔的临床应用潜力。 此外, 该凝胶平台可依据药敏试验结果将抗菌肽灵活替换为临床适宜的抗生素, 为实现个性化抗感染治疗及应对不同病原体感染提供了具有临床转化价值的新策略。

Antimicrobial peptide; Hydrogel; Wound healing; Anti-inflammatory

生物代谢小分子通过非中心对称自组装形成的聚集体, 兼具本征极性与生物相容性, 为开发兼具生物安全性与可控降解性的可植入压电生物电子器件提供了理想平台。 此类器件不仅能高效采集体内机械能以实现原位监测, 而且避免了二次手术取出的需求, 有望突破传统压电材料在高灵敏度、 组织适配性与生物安全性之间的性能平衡。 本文系统研究了氨基酸自组装体的机电耦合行为。 实验表明, 苏氨酸晶体通过形成致密的三维氢键网络 (每个分子与七个相邻分子相互作用), 实现了约 80 GPa 的高杨氏模量。 结合理论计算分析发现, 侧链极性羟基基团是决定晶体堆积方式及宏观压电特性的关键因素。 基于此, 本文构建了基于苏氨酸晶体的生物可降解压电生物电子器件, 该器件在触觉感知及体内运动监测中均展现出高灵敏度的线性响应。 本研究证实了利用生物代谢小分子自组装体构建生物-器件交互界面的可行性, 为生物医学工程领域提供了新的材料与器件设计策略。

Metabolites; Piezoelectricity; Implantable bioelectronics; Self-assembly

纳米医学在恶性肿瘤的诊断与治疗中展现出巨大潜力。 然而, 各类纳米颗粒 (nanoparticles, NPs) 作为药物递送系统 (drug delivery systems, DDSs) 在肿瘤治疗中的临床转化仍然有限, 其主要瓶颈在于缺乏关于具有特定理化特性的纳米颗粒设计与其治疗效果之间关联的系统性数据。 本研究设计并构建了由聚乳酸 (PLA)、 二氧化硅 (SiO2)、 碳酸钙 (CaCO3) 和碳酸钡 (BaCO3) 组成的结构可变纳米载体, 旨在揭示其理化特性与黑色素瘤治疗效果之间的关系 (包括体外和体内)。 具体而言, 本研究: (1) 表征了纳米颗粒的形貌、 尺寸及结构特征; (2) 评估其胶体稳定性; (3) 验证了基于 2-氨基噻吩骨架药物 (2AmT) 的载药和释放性能; (4) 研究其细胞摄取及肿瘤球体穿透能力; (5) 分析体内生物分布; (6) 评估其治疗效果。 通过对有机与无机纳米颗粒关键特性的系统比较, 结果表明, 在 0.4 g/kg2AmT 剂量下, 对黑色素瘤的肿瘤生长抑制效果依次为: CaCO3(87.9%–93.4%) >SiO2(75.6%–93.2%) >PLA (80.3%–88.2%) >BaCO3(58.8%–83.7%)。 本研究为纳米医学基础研究提供了重要依据, 并有助于推动高效黑色素瘤纳米载体的临床转化。

Inorganic and organic nanoparticles; Physicochemical features; Drug loading and release; Melanoma; Chemotherapy; Clinical translation

脉冲式药物递送通过在预设时间间隔后实现快速释放, 能够带来显著的治疗优势, 但通常依赖多次注射, 患者依从性较差。 本文提出一种融合装置 (FUSED), 这是一种可通过单次植入实现程序化多次给药的皮下递送系统。 该装置由成对的延迟单元和释放单元组成, 分别用于调控给药时间间隔和触发脉冲释放。 植入体内后, 体液逐步溶解延迟单元中的微导火索, 其长度决定延迟时间。 当体液到达释放单元时, 触发起泡反应, 从而实现药物的快速释放。 体内和体外实验表明, 该系统可实现模型抗原卵清蛋白的精确脉冲释放, 成功模拟 “初免–加强免疫” 的疫苗接种时序, 并诱导相应的免疫反应。 上述结果表明, FUSED 有望替代传统多次注射方案, 提高多剂量治疗中的患者依从性。

Implantable device; Microfuse; Actuator; Timed drug delivery; Pulsatile drug delivery