机器人电子皮肤借鉴人类皮肤的感知机制, 为机器人赋予触觉感知、 温度检测、 环境交互等能力。 然而, 其进一步发展仍面临设计周期长、 信号增强能力有限以及认知能力不足等挑战。 人工智能(AI)与机器人电子皮肤的深度融合正从本质上改变这一现状。 本文重点探讨了 AI 在机器人电子皮肤发展全流程中的关键作用, 涵盖结构设计优化、 多模态信号处理、 认知能力提升等多个方面。 在电子皮肤的设计阶段, AI 驱动的设计范式大幅缩短了开发周期, 高效探寻出最优的传感材料与结构参数。 在信号处理层面, AI 显著增强了对复杂感知数据的解耦与分析能力, 实现了鲁棒、 多模态和超分辨率的触觉传感。 进一步地, AI 赋能电子皮肤高阶认知功能, 使其能够理解复杂触觉信息并智能适应外部环境变化。 本综述系统阐述了 AI 在电子皮肤开发全流程中的潜力, 旨在推动构建“硬件极简化、 认知极大化”的新一代电子皮肤, 从而对人机交互、 高精度机器人控制、 环境探索软体机器人等领域产生深远影响, 有望催生新的研究范式。

Robotics; Electronic skin; Artificial intelligence (AI); Tactile perception

随着生物医学工程的快速发展, 生物打印已成为解决器官移植供体短缺和推进疾病模型研究的关键技术。 生物打印技术的发展已从构建简单模型 (1.0) 发展到制备永久植入物 (2.0)、 组织工程支架 (3.0) 和利用活细胞构建复杂生物结构 (4.0)。 然而巨大的挑战依然存在, 特别是在准确复制宿主组织的结构和功能、 选择合适的材料和优化打印参数方面。 人工智能 (AI), 尤其是机器学习的整合, 为生物打印提供了重要发展机遇 (5.0)。 本综述系统地总结了当前人工智能在生物打印中的应用, 讨论了构建方法和应用场景。 本文还探讨了人工智能在优化生物打印制备复杂功能组织和原位组织修复方面的潜力。 总之, 人工智能与生物打印的协同作用有望促进个性化医疗的发展, 推动体外模型的高通量构建, 并为再生医学和精准医疗提供强大的工具。

Artificial intelligence; Bioprinting; Tissue engineering; Machine learning

悬浮打印是一种利用屈服应力支撑浴中构建复杂三维结构的先进方法, 具有广阔的应用前景。 然而, 由于打印墨水与支撑浴之间存在复杂的相互作用, 准确预测与控制其可打印性仍面临巨大挑战。 为此, 本文提出一种基于人工智能的框架, 通过流变学数据实现悬浮打印材料体系可打印性的解释与预测。 研究中采用标准化工作流程提取了21项流变学特征参数, 并建立了12项评价指标, 用于量化打印结构的连续性与几何保真度。 可解释机器学习模型分析表明, 方向依赖性缺陷受墨水屈服应力、 支撑浴零剪切粘度、 流动行为指数及时间常数等多参数协同调控。 为构建普适化的可打印性预测模型, 我们进一步开发了LSTM-MLP级联神经网络, 该模型在所有评估指标上的平均相对预测误差均低于15%。 此外, 通过三维打印实验结合微计算机断层扫描 (μCT) 重建的进一步验证, 证实了预测保真度与实际保真度具有强相关性。 本研究建立了一种物理信息驱动的数据范式, 可用于解码与优化悬浮打印工艺, 该方法具备良好的普适性, 为快速匹配适宜的墨水–支撑浴组合提供了可靠工具。

Embedded bioprinting; Printability; Rheology; Machine learning; Neural network

类器官在揭示人体组织的复杂功能和促进临床前疾病治疗方面具有巨大的潜力。 它们的应用范围从高通量药物筛选到复杂疾病的建模, 有些甚至实现了临床转化。 类器官的整体尺寸、 形状、 边界和其他形态学特征的变化为评估类器官药物敏感性提供了一种无创方法。 然而, 由于类器官形态的复杂性以及包括重叠类器官、 气泡、 尘埃颗粒和细胞碎片在内的干扰, 使明场显微镜图像中精确分割类器官变得困难。 本文介绍了精准类器官分割技术 (POST), 这是一种深度学习算法, 可在明场成像条件下分割挑战性类器官。 与现有的方法不同, POST 准确地分割每个类器官, 并消除在类器官培养和成像过程中遇到的各种伪影。 此外, 算法结果与类器官活性检测结果一致, 适用于药物敏感性实验。 POST 有望成为使用类器官进行药物筛选的宝贵工具, 因其能自动快速消除干扰, 从而简化了类器官分析和药物筛选过程。

Organoid; Drug screening; Deep learning; Image segmentation

食管是人类维持正常进食功能所必需的管状器官, 一旦缺损, 临床多上提胃部或移植结肠、 空肠等自体胃肠道器官进行食管置换。 但由于食管结构复杂特殊, 自体移植无法完全重建其吞咽功能。 相较而言, 组织工程管状支架是一种有前景的替代解决方案, 但其制备仍存在不小挑战。 针对此问题, 本文首先分析了食管的结构特征和食管支架的设计要点。 其次综述了现有食管管状支架的制备方法: 脱细胞基质法、 铸造法、 3D打印法 (可细分为 “由内而外” 的静电纺丝法和 “自下而上” 的生物打印法) 和细胞球串制法。 再次, 针对食管支架的设计制备要求, 重点讨论了可诱导食管细胞功能性生长的食管支架刺激因素: 诱导肌层细胞定向生长和上皮细胞致密化生长的支架结构刺激, 以及肌层和上皮细胞共培养的化学刺激。 最后, 本文展望了未来食管管状支架制备中的三个主要挑战: 管状支架低渗漏率和高孔隙率的矛盾、 平滑肌细胞从增殖表型向收缩表型转化的时序控制, 以及生物材料的生物相容性和机械强度的平衡。

Esophageal tissue engineering; Decellularization; Casting; Electrospinning; Three-dimensional (3D) bioprinting

骨软骨 (OC) 界面存在矿物质含量梯度, 其厚度在不同物种中可达数百微米。 当该界面受到破坏时, 骨软骨组织功能受损, 进而诱发骨关节炎 (OA)。 通过再生工程, 可利用仿生生物材料支架重建 OC 界面的天然结构与成分。 本研究提出一种新型一步生物挤出工艺, 构建单体型合成移植物 (USG), 模拟天然 OC 界面的矿物梯度。 该 USG 由琼脂糖基软骨层以及含 200 g/L 羟基磷灰石的琼脂糖骨层构成, 界面区域形成从 0% 至 20% (质量分数) 连续变化的矿物梯度, 以仿生软骨向骨组织的过渡。 热重分析表明, USG 的梯度区长度与牛膝关节 OC 组织相近 ((647±21) µm vs. (633±124) µm)。 在振荡剪切条件下进行的应变扫描与频率扫描测试表明, USG 表现出与天然 OC 组织一致的黏弹特征, 其储能模量始终高于损耗模量。 压缩与应力松弛实验表明, USG 在机械载荷下保持良好的结构完整性。 生物挤出后的细胞活性检测结果显示, 软骨细胞与人胎源性成骨细胞在预设区域内实现成功驻留与存活。 综上所述, 该新型 USG 在结构与力学行为方面均接近天然 OC 组织, 是修复骨软骨缺损、 恢复膝关节功能的潜在候选材料。

Osteochondral (OC) interface; Mineral gradient; Bioextrusion; Hydrogel scaffold; Regenerative engineering

在骨植入体的微尺度设计中, 比表面积 (SS) 与孔径 (D) 存在固有的制约关系: 孔径增大会导致表面积缩减, 这种关联因对细胞黏附和成骨过程调控的关键作用而备受关注。 然而, 比表面积与孔径如何影响新生骨组织并在长期成骨过程中动态变化尚不明确。 本研究通过极小曲面的严格几何映射, 构建了精确分区且逐层增厚的组织模型, 以模拟不同时间尺度的成骨过程, 进而追踪几何特征、 渗透性及组织分化的动态演变。 研究发现, 高比表面积样本在早期能促进新骨组织快速形成, 但其较小的孔径易导致孔隙闭塞, 阻碍组织进一步发育; 而低比表面积样本虽成骨速率较缓, 较大孔径却为组织再生与物质传输提供了充足的物理空间, 最终实现更优的远期成骨效果。 力生物学计算模型表明, 骨组织增厚会驱动纤维组织形成从而抑制更多的骨组织生成, 由此在成骨与孔隙结构间建立动态平衡, 确保骨再生各阶段的营养与废物交换。 总体而言, 侧重早期骨整合的低负荷骨植入体宜优先采用小孔径/高比表面积设计; 而需长期骨再生的高负荷植入体则更适合大孔隙结构方案。

Minimal surface; Specific surface area; Pore size; Bone ingrowth; Mechanobiology; Finite element simulation

毫米级水溶性物质封装技术在医药、 食品、 化妆品、 包装及材料等领域具有重要价值。 然而, 由于制备精度不足、 物质保留率较低、 机械性能欠佳以及水分蒸发难以控制等问题, 其发展面临巨大挑战。 本研究开发了一种无表面活性剂、无有机溶剂的水-油-空气乳化技术, 用于构建双层结构 “毫米胶囊”, 实现水溶性生物活性物质的精准封装、 高效保留及力学触发爆裂释放。 具体而言, 我们通过第一层聚乙二醇二甲基丙烯酸酯 (pEGDMA) 外壳实现生物活性物质的高效包封, 利用第二层蜂蜡外壳延长活性成分的保留时间。 与传统毫米胶囊存在的形状不均一、 机械稳定性差等问题不同, 本研究通过引入金属离子稳定界面张力, 并采用恒速旋转平衡液滴所受重力、 浮力、 惯性力及黏性力, 最终获得具有均匀形态、 高刚性及狭窄破裂力区间的毫米胶囊。 此外, 疏水性蜂蜡涂层有效阻止水分挥发, 将封装物质的保质期从数天延长至数月, 同时保持其生物活性。 该毫米胶囊体系解决了大尺寸水溶性载体精准制备的难题, 标志着生物活性物质长期储存与控制释放技术向工业化应用迈出了重要的一步。

Droplet microfluidics; Millimeter-sized capsule; Double-emulsion droplet; Controlled release; Organic solvent-free encapsulation

实体瘤手术切除后的复发是组织再生的主要障碍。 光热电联合疗法作为一种新兴的治疗策略, 能通过光热效应消融肿瘤细胞, 同时利用热电效应产生活性氧 (ROS), 破坏热休克蛋白, 从而抑制肿瘤细胞的保护机制。 然而, 传统的光热电材料普遍存在热电效率低和组织穿透能力弱的问题。 本研究制备了具有键合异质结构的碘掺杂硫化铋 (I-Bi2S3) 纳米棒以提高其热电性能。 具体而言, 通过碘掺杂引入额外电子以调控 Bi2S3的能带结构, 并利用异质结构的双低能振动效应降低材料热导率。 更重要的是, 通过调控异质结构类型可调节能带带隙宽度, 将光吸收范围拓展至穿透力更强的近红外二区 (NIR-II), 从而实现深层组织治疗。 进一步将 I-Bi2S3纳米棒引入左旋聚乳酸 (PLLA) 支架, 赋予支架抗肿瘤功能。 结果表明, 异质结构的构建显著提高了 Bi2S3的电导率并降低了其热导率, 从而显著增强了热电性能。 此外, 异质结构使 Bi2S3的带隙从 1.23 eV 降低至 0.88 eV, 实现了 NIR-II 区的光吸收。 ROS 测试结果表明在 1064 nm 激光照射下 PLLA/I-Bi2S3支架表现出良好的光热效应和 ROS 生成能力。 该支架对 MG-63 骨肉瘤细胞的抗肿瘤效率达 84.6%, 展现出其在肿瘤治疗领域的卓越潜力。

Antitumor bone scaffolds; Photo-thermo-electric therapy; Near-infrared II window; Bonding heterostructures; Selective laser sintering

工程化活体材料 (engineered living materials, ELMs) 通过引入微生物等活体单元, 兼具功能优势、 经济可行性与显著的生态效益, 展现出广阔的应用前景。 本文围绕生物设计领域的最新进展, 系统研究了黄杆菌纲 (Flavobacteria) 在热致变色工程化活体材料中的应用潜力。 多种广泛分布于海洋环境的黄杆菌在半固体表面生长过程中, 依赖滑行运动扩展菌落, 并产生具有结构色特征的虹彩效应。 本研究以Cellulophaga lyticaPLY-A2 菌株为对象, 系统分析了温度变化对其菌落生长行为与虹彩结构色表现的影响, 从宏观与微观两个尺度刻画了温度诱导下菌落形貌与颜色响应的差异特征。 通过扫描电子显微镜 (SEM) 表征, 进一步揭示了虹彩颜色变化与其底层细胞光学结构的关系。 研究结果表明, 该类黄杆菌对温度变化具有明确且可重复的响应特性, 展现出作为热响应型工程化活体材料的潜力。 本研究为理解黄杆菌的温度响应行为及其结构色形成机制提供了新的实验依据, 表明其在可持续食品包装、 智能纺织品等热致变色应用场景中具有潜力, 并为未来生物设计领域相关微生物材料的系统表征与应用探索提供了参考。

Engineered living materials (ELMs); Living sensors; Thermochromic; Temperature-responsive; Iridescent color; Cellulophaga lyticaPLY-A2