短肽自组装技术构建纳米三维细胞培养基质

绝大多数用于细胞3D(3-dimension,3D)培养的生物材料支架具有多孔渗水性的无定形结构,能被生物降解,但没有生物活性,也没有组织特异性,其支架显微结构与体内ECM(extracellular matrix,ECM)相差很大.目前,国际上兴起用短肽自组装技术构建纳米三维细胞培养基质,它具有纳米级结构、具有生物活性、组织特异性、成分清楚可控、生物力学、显微结构与体内一致等特征.纳米三维细胞培养基质在细胞生物学,肿瘤学,高通量药物筛选,组织工程,再生医学,以及生物纳米材料的发展具有重要的意义.     

生物材料的3D打印研究进展

在生物医药领域,通过对生物材料或活细胞进行3D打印,可构建复杂生物三维结构如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等,因而基于生物3D打印在个性化定制及复杂结构调控制造上的独特优势,综述了生物3D打印技术的基本工艺、应用领域与研究进展.重点针对3D打印生物材料这一研究热点,全面讨论了喷墨打印和注射挤出打印两种路径,分析总结了3D打印相关生物材料并应用于体外模型、医疗器械和植入体的制造以及可降解组织支架、细胞三维结构体的构建,最后对该技术未来发展趋势和研究重点提出展望.     

三维自组装石墨烯的细胞相容性研究

针对石墨烯的二维平面结构不利于细胞在材料上延伸生长和黏附的问题,通过水热法合成自组装石墨烯,搭建利于细胞生长和黏附的三维结构.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X线光电子能谱和接触角测试仪对样品的表面形貌、微观结构、化学键、原子组态和亲水性能进行测试,并通过形体外细胞实验研究了L929小鼠肺部成纤维细胞在材料上的黏附和增殖生长等行为.实验结果表明:自组装石墨烯具有孔径为1~3μm的孔洞,材料整体呈网状结构,为多层石墨烯片层的堆叠;样品中部分C元素分别与H和O元素结合生成多种官能团;三维自组装石墨烯的亲水性和表面细胞增殖生长情况均优于二维石墨烯,更适于作为组织支架促进细胞生长.     

多组份超分子凝胶的表征方法和研究手段

低分子量凝胶因子通过分子间非共价键相互作用自组装成三维纤维结构进而包裹溶剂分子形成低分子量超分子凝胶体系.然而,研究者对多组份凝胶的探究越来越感兴趣.在多组份凝胶体系中,如果每个组份都有能力形成凝胶,那么低分子量凝胶之间的随机或特定的组装有可能形成不同类型的纤维结构.三维网格结构的性质将取决于低分子量凝胶是如何组装成一级纤维结构以及这些一级结构是如何缠绕的.因此,研究这些凝胶结构中网格结构是如何跨越多重长度尺度是有必要的.本文讨论了目前在多组份凝胶研究中常用的表征方法和研究手段,希望为多组份凝胶的研究提供有必要的途径.     

多金属氧簇复合物体系的可逆动态组装、可控光致变色及超分子催化研究报告

分子自组装是分子自发形成特定有序聚集结构的过程。为了建立新的功能自组装体系,实现分子聚集体由单组分到多组分、由静态到动态,并通过环境变化进而实现从聚集体结构可控发展到功能可控,在过去一年里,我们从无机金属氧簇和与之匹配的有机组分构筑基元设计入手,通过组分间结构匹配和作用方式、组装性质、刺激响应及功能特性调节,合成了一系列新的以无机簇阴离子为核、以修饰的有机阳离子为壳的双组分通过静电相互作用形成的、具有刺激响应性和适应不同功能需要的、结构形态可变的两亲性超分子复合物预组装体。我们以研究复合物自组装形成的多级聚集结构为基础,通过揭示响应基团与组装结构间的联动关系,获得了具有可逆转变特性的分子组装体并阐明了动态转变过程和机理。在此基础上,我们利用溶液中组装结构的动态可调控特性,通过光照和温度变化调控分子间相互作用,实现了水相中分子聚集体的组装与解组装、极性相和非极性相之间的可逆相转移、可逆氧化还原和相转移催化氧化功能。该年度的工作实现了将有机和无机组分通过多种相互作用整合到同一个组装体系中,揭示了多金属氧簇超分子复合物的手性转移和可逆光致变色、手性组装结构与非手性组装结构的动态结构可逆转变和机理,同时实现了同时含有主体和客体基团的超分子复合物自识别、手性转移和手性放大的光调控。这些工作将为实现该研究的下一步目标提供很好的基础。     

基于石墨烯的多维度材料构筑及性能研究进展

 石墨烯是碳原子以六角形密堆积形成的二维原子晶体,具有独特的物理化学性质,在电子器件、能源环境和生物医学等领域有着广阔的应用前景。石墨烯的可控制备和组装是其实现实际应用的前提条件。近年来,相继开发出一系列石墨烯自组装与结构调控的技术方法,得到了多种结构特异、组成丰富和性能独特的石墨烯基多维度结构。本文从水溶性的氧化石墨烯出发,综述从零维到三维一系列不同维度和尺度石墨烯的自组装行为和材料构筑策略。对石墨烯的不同组装结构进行系统分类,提出其多维度组装体系的概念。石墨烯的多维度组装体系,在微纳米尺度上包括零维度的石墨烯基纳米颗粒和一维的石墨烯纳米线,在宏观尺度上包括二维石墨烯薄膜和三维的宏观体结构,最后对相关研究领域的发展趋势进行了总结和展望,结合计算化学的相关结果,预测了一系列未开发的石墨烯自组装结构。     

蚕丝蛋白仿生多肽RAGA16的纳米结构与性能研究

利用天然蛋白质氨基酸序列设计生物仿生材料是近年来兴起的一个热门研究领域.本文中将蚕丝蛋白特征氨基酸序列(Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser)部分引入离子互补型多肽RA-DA16-Ⅰ中,设计了新型多肽RAGA16.采用原子力显微镜(AFM)、旋转流变仪(Rheometer)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、倒置荧光显微镜等技术对多肽RAGA16的自组装结构、肽链的二级结构、流变学性能以及细胞相容性等进行研究.结果表明,蚕丝蛋白多肽序列引入后,多肽RAGA16具有自组装特性,能够自组装形成致密的纳米级三维网络结构,所形成的水凝胶力学性能明显提高,通过分析得知这可能是由于多肽二级结构中Silk Ⅰ结构成分比例增加所致.荧光染色显示,绝大多数接种于多肽水凝胶中的小鼠前成骨细胞MC3T3-E1能存活,且在不同的三维平面上生长增殖.综上,利用蚕丝蛋白特征序列对RADA16-Ⅰ进行仿生改性后,对拓展多肽材料在生物医学领域的应用具有重要意义.     

基于α-氰基二苯乙烯纳米组装的研究进展

π-共轭分子的自组装体系因具备优异的光电性质而成为开发新型有机功能材料诱人的平台.文章主要综述了基于α-氰基二苯乙烯及其衍生物的自组装纳米聚集体和凝胶以及它们用于构建有机超分子功能和智能材料的最新研究进展.对α-氰基二苯乙烯的一般结构特点,α-氰基二苯乙烯超分子纳米结构的强发光、手性光学性质和可控纳米组装,以及其凝胶系统的多重刺激响应性进行了综述.此外,还特别介绍了α-氰基二苯乙烯的光反应及其应用于自组装系统的特色工作.最后介绍了作者课题组在这一领域的相关工作.     

使用自洽场理论研究嵌段共聚物受限在平行板间和球腔内的自组装行为

使用自洽场理论研究了二嵌段共聚物体系在一维平行板间和三维球腔内的自组装行为．研究表明,在三维球腔内受限状态下,体系可以形成多种介观结构,这些结构是在本体和一维或二维受限状态下不能观察到的．嵌段共聚物受限在球腔内自组装的相行为非常复杂,结构间的转变比一维平行板间受限状态下自组装结构的转变要复杂得多．     

基于分子荧光光谱法的超分子水凝胶自组装过程监测

为了研究超分子水凝胶的自组装过程,利用分子荧光光谱法对谷胱甘肽-银离子(GS-Ag(I))水凝胶的自组装过程进行了监测。研究结果显示:GS-Ag(I)作为凝胶因子,其浓度从0上升到0. 008 mol/L的过程中,水凝胶的荧光激发波长从350 nm位移到370 nm,激发波长变化的数据显示水凝胶形态变化的关键浓度是0. 005 mol/L,流变性能数据和荧光显微镜照片也证明了此结论;当凝胶因子到达0. 005 mol/L时,水凝胶内部已经自组装形成了丝状三维网络,并且从牛顿流体转变为非牛顿流体。实验结果表明:当水凝胶的荧光激发波长相对于凝胶因子单体出现光谱红移时,水凝胶的自组装过程可以直接利用分子荧光光谱技术进行监测。     

Haversian bone-mimicking bioceramic scaffolds enhancing MSC-macrophage osteo-imunomodulation

The interaction between immune cells and bone forming cells plays a vital role in maintaining the homeostasis of the skeletal system, and is regulated by the three-dimensional structure of tissues. Whether the construction of biomaterials can activate or reproduce this spatial “cross-talk” between immune cells and bone forming cells in bone natural formation process is a prerequisite for successful fracture healing and bone regeneration. Herein, a bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs)/macrophages-laden Haversian bone-mimicking bioceramic scaffold was successfully prepared through the biomimetic design of biomaterials and 3D printing technology. MSCs and macrophages were respectively distributed in the cancellous bone and Haversian canals of the scaffold to simulate the three-dimensional structure regulation of the cell spatial distribution and multiple intercellular interaction in natural bone tissue, and worked in concert to modulate the scaffold material-mediated osteo-immune microenvironment. The in vitro study revealed that the pro-inflammatory response of macrophages was more significantly inhibited when distributed with MSCs in the scaffolds at a cell ratio of 0.5:1 for co-culture, in comparison with multicellular culture at other ratios and unicellular culture. Meanwhile, MSCs exhibited the relatively high osteogenic potential, most likely via the activation of certain key signaling pathways mediated by macrophages-derived paracrine signaling mediators (OSM, BMP-2, and WNT10b). This work not only establishes a bionic platform for the regulation of multicellular osteo-immune response and regeneration but also offers a promising tissue-engineered biomimetic scaffold with improved immunomodulatory function for promoting bone tissue regeneration.     

Protein functional-group 3D motif and its applications

Representing and recognizing protein active sites sequence motif (1D motif) and structural motif (3D motif) is an important topic for predicting and designing protein function. Prevalent methods for extracting and searching 3D motif always consider residue as the minimal unit, which have limited sensitivity. Here we present a new spatial representation of protein active sites, called "functional-group 3D motif ", based on the fact that the functional groups inside a residue contribute mostly to its function. Relevant algorithm and computer program are developed, which could be widely used in the function prediction and the study of structural-function relationship of proteins. As a test, we defined a functional-group 3D motif of the catalytic triad and oxyanion hole with the structure of porcine trypsin (PDB code: 1mct) as the template. With our motif-searching program, we successfully found similar sub-structures in trypsins, subtilisins and a/b hydrolases, which show distinct folds but share similar catalytic mechanism. Moreover, this motif can be used to elucidate the structural basis of other proteins with variant catalytic triads by comparing it to those proteins. Finally, we scanned this motif against a non-redundant protein structure database to find its matches, and the results demonstrated the potential application of functional group 3D motif in function prediction. Above all, compared with the other 3D-motif representations on residues, the functional group 3D motif achieves better representation of protein active region, which is more sensitive for protein function prediction.     

类器官芯片在疾病体外模型中的应用

 类器官芯片是利用器官芯片独有的优势,体外构建类器官可控的理化微环境,使得类器官更能反应来源组织器官的结构和功能,从而更好地模拟器官的生理和疾病状态,是目前最具潜力的疾病体外模型之一。概述了传统类器官、器官芯片以及类器官芯片在疾病体外模型构建中的应用进展,提出了类器官芯片在疾病模型构建中存在的问题及可能解决的方案。     

遥感影像三维可视化的实现

结合世界自然文化遗产——泰山的三维可视化的实现，系统地论述了由二维遥感影像生成三维可视化影像的处理过程。此次研究成果将对泰山的旅游规划和开发、泰山的地貌及地质研究、泰山环境保护及灾害预防起直观的指导性作用。     

EasyMap3D中模型的构建方法及现实意义

在论述三维地层信息管理系统意义的基础上,对地层、断层、巷道、陷落柱、采空区等地质体和人工构筑体的三维描述方法进行了介绍,同时对煤矿三维地层信息系统（EasyMap3D）的系统构成、数据组织、系统功能做了概述,指出该系统的开发对准确解释地质信息,提升矿山企业安全生产能力,提高矿产资源利用率具有重要的意义。     

Anatomy and plant affinity of <Emphasis Type="Italic">Chuaria</Emphasis>

Chuaria is one of the few globally distributed macrofossil pioneers documented in the Precambrian. It is perhaps the most controversial fossil in term of its affinity despite more than one hundred years of study. Many mutually exclusive affinities have been suggested for this frequently encountered fossil. Although often treated as a multicellular alga, this interpretation remains inconclusive because the lacking unambiguous demonstration of cellular structures. In this paper the cellular details of Chuaria are clearly revealed for the first time. The cell walls in Chuaria suggest that it is a multicellular eukaryotic alga, in agreement with the latest biogeochemical analyses. Different thicknesses of cell walls suggest primary cellular differentiation in this organism. Membrane-like structures within the cells (the first to be reported in Precambrian fossils) imply a eukaryotic nature. This study partially resolves the century-long controversy over the affinity of Chuaria, and makes Chuaria one of the few recognized multicellular eukaryotes before the Neoproterozoic glaciation.     

FAM105A通过caspase依赖性途径和Bcl-2家族诱导细胞凋亡

在多细胞有机体中,细胞凋亡对调节正常细胞活动和发育起着关键作用.对参与细胞凋亡的蛋白的鉴定及其机制的阐明具有重要意义.FAM 105 A是新发现的促凋亡基因,过表达会导致细胞凋亡.研究了FAM105A促进细胞凋亡的潜在机制,结果表明,在HEK293T细胞中过表达FAM105A会导致caspase-3和caspase-9的剪切/激活,同时伴随着多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP ribose polymerase,PARP)的切割/失活.此外,过表达FAM105A能诱导细胞色素c(Cyt c)从线粒体释放到胞质,促凋亡蛋白Bax的表达水平升高,而抗凋亡蛋白Bcl-2的表达水平下降.这些结果表明FAM105A诱导的细胞凋亡过程需要caspase依赖性途径和Bcl-2家族共同参与.     

基于3D引擎技术的机构运动仿真

机构运动三维可视化仿真是进行产品设计和分析的一个有效手段.介绍使用3D STATE的3D引擎技术进行机构运动三维可视化仿真,包括机构运动仿真时三维场景的建立和仿真程序的实现.初步研究表明,该方法具有场景设计直观灵活的特点,基于3D引擎技术便于机构运动仿真软件的可视化界面的快速开发.     

2020年3D打印热点回眸

 3D打印是基于材料累加原理,将计算机中的三维模型通过分层添加材料打印出实物的一种增材制造技术。2020年,3D打印研究在打印机理、技术改进及应用拓展等方面取得了重要进展。从打印方法改进、新型墨水研发、新型结构制备和应用,以及金属3D打印机理研究等方面回顾了3D打印的年度研究热点和代表性成果。