BioStarM-140s芯片基因信息查询系统的构建及应用

应用生物信息学数据库查询的方法,对B ioS tarM-140s小鼠基因表达芯片上的14 112个基因进行相应注释信息的查询和所对应蛋白质功能的分类.首先参照人类综合型芯片上基因的功能分类,设定了14个蛋白质类别,然后采用V isual C 编程语言,构建了基因信息查询系统.应用该查询系统,进行了网络生物学数据库信息资源的自动直接查询,共搜索到有注释信息的基因12 070个;进一步按照所设定的14个蛋白质类别对12 070个基因进行分类查询,搜索到了与这14个分类相符合的、具有详细蛋白质功能注释信息的基因共1 606个.     

光反射干涉生物传感器对生物医用材料蛋白质吸附研究

应用东南大学生物医学工程系吴健雄实验室研制的RIfS生物传感器,对人工合成羟基磷灰石和H50－50型聚氨酯两种材料对小牛血清白蛋白BSA、人血浆纤维蛋白原FIB和人免疫球蛋白IgG的吸附性能进行了实时原位动态研究。根据RIfS表征原理和蛋白质结构大小,引入了吸附层数计算公式,求出了2种实验材料对不同蛋白质的吸附层数。得出羟基磷灰石和H50－50型聚氨酯材料对3种蛋白质实际吸附层数分别为：IgG1.0751,BSA0.9684,FIB0.7464和IgG0．8199,BSA0.7964,FIB0.6120。证实了用RIfS生物传感器进行生物材料生物相容性研究的可行性。     

硅酸盐水泥在模拟体液中降解和矿化性能

为了检测硅酸盐水泥(PC)在模拟体液(SBF)中降解和生物矿化性能,将硅酸盐水泥样品分别浸泡于模拟体液3,7及14 d后,采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)及扫描电镜(SEM)等方法研究其生物矿化性能;并同时检测其失重率及模拟体液浸泡液的pH值变化情况.研究结果发现:随着浸泡时间的增长,硅酸盐水泥的质量增加;模拟体液在浸泡前3 d碱性较强,随后其pH值逐渐降低.X射线衍射、红外光谱图谱及扫描电镜图像表明:硅酸盐水泥浸泡3 d后,在其表面有碳酸钙生成;浸泡7 d后,其表面有碳酸羟基磷灰石生成.因此,硅酸盐水泥具有良好的生物矿化能力.     

神经信号再生专用微电子系统的设计

根据神经束电信号的特点,提出一种适用于中枢神经束电信号探测放大和再激励的微电子系统设计方案,功能单元包括微弱神经电信号探测电路、交流信号耦合电路和神经束再激励电路.为面向生物体植入应用,系统设计主要考虑功耗、噪声和交流耦合输入等性能.另外,设计了2种运算放大器单元,分别是用于前置电路的低噪声、低功耗两级运算放大器和具有高增益、高驱动能力的输入输出全摆幅恒跨导折叠运算放大器.系统采用CSMC双层多晶硅双层金属(DP-DM)标准0.5μm CMOS工艺设计完成.仿真和测试结果表明设计芯片实现了微弱低频电信号放大功能,可用于神经信号再生应用,功耗和体积满足生物体植入式器件的要求.     

白蛋白和石墨烯的结构及其相互作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法分析研究了白蛋白与石墨烯表面的相互作用.分子模拟过程采用Gromacs软件进行运算及数据采集分析,并采用VMD软件实现结构的可视化.首先,建立周期边界条件,在边长为9 nm的有限空间中采用恒温恒压系综,对ffgmx力场条件下的白蛋白原始真空构象进行优化,使其在水相中达到平衡态.然后,以水相中得到的稳定的白蛋白作为模型,构建与石墨烯相互作用的总体构象及界面.最后,在周期性边界条件下,经过500 ps的动态过程,完成了白蛋白在石墨烯表面的吸附.对能量、残基轨迹、扭转角等数据进行分析总结,确定了白蛋白在石墨烯表面的吸附位点为白蛋白序列中90~97号肽段90ALA-91GLY-92ILE-93THR-94SER-95ASP-96PHE-97TYR.     

基于微电子神经桥实现大鼠运动功能重建的实验研究

设计了一种大鼠神经信道桥接、信号再生和功能重建的实验方案.首先对脊髓适当位置进行功能电激励,诱发控制左腿动作的坐骨神经信号；然后,将此信号作为微电子神经桥的信号源,经微电子神经桥放大处理后施加于离断的右腿坐骨神经远端,从而使瘫痪的右腿产生动作.对控制左腿动作的坐骨神经信号和再生后的右腿神经信号进行相关性分析,结果表明,与再生前的信号相比,再生后的信号在时间上存在延迟,且两者的相干函数值为0.89,符合因果关系.这种设计方案既避免了因生物体组织传导可能引入的伪迹,又克服了因控制运动的神经信号中编、解码未知所造成的困难；此外,运用控制动作的原始神经信号作为控制信号源,使重建更精细、协调的动作行为成为可能.     

神经元集群电信号探测用微电极阵列

介绍了一种用于神经元集群电信号探测的2 x2微电极阵列芯片.该芯片集成了4个直径为20 μm、中心间距为100μm的圆形微电极.4个电极点周围都布满地线作为参考电极,4个电极点与参考电极的间距分别为5,10,15和20μm.芯片版图设计及验证采用华大九天系统设计软件Zeni完成,并通过无锡CSMC公司的0.6 μm DMDP CMOS标准工艺实现,芯片面积为O.28mm x0.40mm.对芯片进行了在晶圆电学测试,采用频率为10 Hz～1MHz,幅度为50 mV的正弦信号作为输入信号,分别测试4个电极点的阻抗特性.测试结果表明,在10 kHz处4个电极点的等效阻抗模值在0.7～2.1 MΩ之间,达到了细胞外电信号测量的要求.在芯片表面进行了1-929细胞和胎鼠海马神经元培养实验,结果表明芯片经过表面生物相容性修饰后可用于细胞外电信号测量.     

硅表面改性及其生物学研究

为了增加海马神经元在以硅为基底的微电子器件表面的黏附和生长,采用化学方法对集成电路的衬底材料硅进行了表面改性,并对改性前后的硅表面进行了x射线光电子能谱分析、原子力显微镜形貌分析和接触角测定.用改良的考马斯亮蓝法对硅片和改性后的硅片进行了蛋白质吸附研究,并采用荧光显微镜观察了胎鼠海马神经细胞在改性前后硅表面的黏附行为.结果表明,改性后的硅表面接触角减小,粗糙度增加.蛋白质吸附结果表明硅的改性能减少蛋白质的吸附.海马神经细胞在改性硅前后表面的黏附行为研究表明,未改性的硅片上几乎不能黏附海马神经细胞,而改性后硅片上能显著增加海马神经细胞的黏附和生长,并能形成神经细胞网络.     

脊髓微激励信号幅值对大鼠后肢运动的调控研究

脊髓功能电刺激能诱发因损伤或病理引起的运动功能缺损患者的肢体运动。然而,当前脊髓微激励信号参数对啮齿类动物后肢运动的调节机制尚未明确。为此,通过调节脊髓微激励信号的幅值,对大鼠后肢关节产生伸展响应和屈曲响应时各关节角度的变化值进行定量分析。实验分析表明:大鼠后肢产生伸展响应时,髋关节、膝关节与踝关节的角度变化值与刺激信号幅值的决定系数R~2分别为0.58、0.87、0.74;产生屈曲响应时各关节的角度变化值与刺激信号幅值的决定系数R~2分别为0.81、0.69、0.47。研究结果表明:大鼠后肢运动的各关节角度变化值与刺激幅值具有高度相关性。大鼠后肢产生伸展响应的最佳刺激信号的幅值范围为(40±5)μA;产生屈曲响应的最佳刺激信号的幅值范围为(80±10)μA。研究结果可为进一步研制后肢步态调控用脊髓刺激器提供参考。     

透过皮肤的电磁耦合

设计了应用于神经功能恢复微电子植入系统供能模块的电磁耦合模块.通过对印刷电路板(printed circuit broad,PCB)平面螺旋线圈电学参数及其互感耦合的理论分析,确定发射、接收线圈几何参数的取值.首先进行线圈电学参数测试,然后将发射和接收线圈组合成电磁耦合模块,分别在空气和皮肤两种介质条件下进行耦合测试定量实验.实验结果表明:接收电压随发射电压线性变化;发射和接收线圈空间匹配时,相对于空气介质,皮肤介质使接收电压产生更大衰减.发射和接收线圈空间匹配可以增加接收电压;在可实现的发射电压范围内,可以获得所需的接收电压.