摘要：现代竞技体育追求运动成绩不断提高,高水平运动员不断寻求新的科学技术和方法设计个性化训练计划,以提高运动表现。目前,在运动队中使用较多的柔性可穿戴传感器主要监测运动员运动指标的水平和身体机能水平。这些可穿戴设备以汗液、唾液和泪液等体液作为样本来源,可以实现葡萄糖、乳酸和尿酸等多个与运动相关的生化指标检测,为运动员的日常训练带来了极大的便利。本文综述了近年来用于运动监测的柔性可穿戴传感器及其最新研究进展,为从事竞技体育运动的工作者提供最新、最前沿的可穿戴传感器技术总结,为制定更为精准有效的科学训练方法提供理论支持。

摘要：目的创伤性脑损伤(TBI)作为一种高致残、高致死的高发性疾病,已经成为威胁人类健康的巨大隐患。TBI发生后,大量细胞外基质(ECM)流失、神经细胞的死亡,病变空腔的存在以及胶质瘢痕的形成都会抑制神经元浸润和神经组织功能性再生。前期研究表明基质刚度和黏弹性是影响脑损伤后胶质瘢痕形成和神经细胞浸润的关键因素,水凝胶材料的刚度和黏弹性参数均会影响胶质瘢痕形成。然而,现有的可注射水凝胶由于设计策略有限,并不能适配在体脑组织的黏弹性特征。方法因此,在本研究开发了一种可注射的黏弹性水凝胶HA-PBA/Gel-Dopa(HG)用来填补病变空腔。HG水凝胶不仅可以模拟天然脑组织的主要ECM成分(HA),具有良好生物相容性、生物降解性和止血能力,更可以精准地模拟在体健康脑组织的力学特性。结果和结论HG水凝胶的刚度和黏弹性可以模拟天然脑皮层组织的刚度和黏弹性参数,最大程度地发挥水凝胶的力学微环境优势,在填补病变空腔的同时,抑制胶质瘢痕生成,提高其对TBI的治疗效果。小鼠TBI模型的治疗,进一步证明了HA-PBA/Gel-Dopa水凝胶可以有效减少神经胶质瘢痕的形成(GFAP表达水平相比对照组降低~1.8倍),并促进神经元浸润和神经组织修复。

摘要：目的严重的周围神经损伤(PNI)是重大公共健康问题,导致患者运动或感觉功能障碍,甚至死亡。临床采用自体移植治疗长距离PNI,但受限于患者继发性损伤和额外手术的风险。具有刺激功能的神经导管(NGC)可促进神经再生,但其组成复杂,操作困难,易产生副作用,阻碍其临床转化。传统负载雪旺细胞(SCs)的NGC无方向递送降低神经再生的效率。因此需要更合理的结构设计使NGC能够向远端递送SCs,且维持在远端,诱导轴突从近端向远端生长。方法开发一种基于丝素蛋白的水凝胶,受维管植物反重力运输水分行为的启发,构建力诱导(FI)NGC,引导轴突生长和定向递送SCs,用于修复长距离PNI。结果FI NGC具有梯度孔径的多通道结构,可产生足够的毛细力反重力定向运输水分和细胞,且保持在FI NGC顶端。负载SCs的FI NGC在8周内有效修复12 mm的坐骨神经缺损,新生轴突在神经远端生长并支配目标肌肉。与其他报道的导管,神经功能恢复和神经再生效果更优。结论FI NGC实现反重力定向运输水和细胞,并保持在顶端。负载SCs的FI NGC促进神经运动、感觉和电生理功能恢复,增强远端神经SCs生长、髓鞘和轴突再生及血管再生。本研究为NGC设计提供了新的结构视角,有希望成为治疗长距离PNI的替代方案。

摘要：目的创面的有效修复面临全球挑战。力学加载可通过诱导细胞增殖、影响炎症反应、胶原沉积和血管生成促进创面修复,相关的创面修复技术近年来快速发展,但实际应用中,考虑创面具特征的个性化创面力学调控仍未实现。方法本研究提出一种通过人工智能实现力学调控敷料优化设计的个性化创面修复方案。具体通过图像分割算法提取创面特征(如尺寸、部位),并由神经网络计算可使该创面产生最大程度收缩的敷料参数(模量、尺寸),以实现定制设计;按照优化的时间序列周期性更换敷料,并针对创面实时特征进行敷料再设计。通过慢性创面与大动物模型验证所开发技术的修复效果。结果实验测试与数值模拟结果表明,敷料设计参数会影响创面的收缩效果,而这一影响规律又因创面特征的不同而存在差异,验证了本研究通过优化敷料设计参数实现个性化创面修复这一思路的可行性。通过材料性能表征与在体测试,确定敷料更换的优化时间序列,即每3天更换1次,其中加热5 min、放置1天、空置2天。糖尿病小鼠创面模型与猪创面模型验证了该技术显著提升创面收缩、促进血管化与胶原重塑的效果。结论个性化创面力学修复技术的出色效果在大动物模型中得以验证,展现出较大的临床转化潜力。

摘要：目的皮肤是人体与外界交互的重要媒介,始终处于力、热等环境刺激的作用之中。因此,探究皮肤对外界刺激的感知机理、并开发相应技术对外界刺激进行有效采集与调控,对于了解疾病成因、探索诊疗方法具有重要意义。方法本研究基于前期创立的生物组织力-热-电(疼痛)耦合行为理论,系统阐释了热、力等外源性物理刺激通过电生理传导引起人体痛觉感知的作用机制,并提出了力学刺激信息采集与调控的技术需求。在此基础上,建立了类皮肤柔性器件的力学结构设计理论与技术体系与基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系。结果提出了通过结构变形降低材料变形的思路,设计开发了内嵌三维螺旋、空间刚度异质、仿生叠覆鳞片等多种可承受大变形的力学结构,将这些结构应用于柔性器件的制备中,可显著提升器件在大变形工况下的结构与功能稳定性;建立了基于水凝胶材料的柔性器件制备技术与应用体系,开发了一系列功能化水凝胶材料与器件,搭建了在体力学信息采集与调控平台,并探索了其在健康监测、疾病诊疗、创面修复等方面的应用前景。结论本研究基于力学设计原理,开发柔性生物力学信息采集-调控器件,对于人体健康监测、创面减张修复等实际临床应用具有借鉴意义。

摘要：目的癌症转移是癌症治疗困难并且死亡率高的主要原因之一。肿瘤微环境中的癌相关成纤维细胞在促进肿瘤转移中发挥关键作用,它主要来源于基质中正常的成纤维细胞。例如,胰腺星状细胞在硬基质中可以被激活为癌相关成纤维细胞样表型。通常,只有激活的成纤维细胞——癌相关成纤维细胞可以通过各种途径促进癌症的进展,而正常成纤维细胞则不发挥促癌功能。因此,本研究试图通过力学调控将激活的癌相关成纤维细胞逆转为正常成纤维细胞,从而实现对肿瘤进展的抑制作用,即癌相关成纤维细胞的重编程。方法为实现这一目标,构建了可以模拟细胞力学微环境的聚乙二醇水凝胶培养平台,通过调控基质刚度和黏附配体诱导细胞重编程。结果N-钙黏蛋白/HAVDI之间的力学黏附作用可以将激活的胰腺星状细胞重编程为其原来的静止状态,并且重编程的效率依赖于初始的力学加载时间(硬基底上的培养时间)。结论本研究揭示了细胞间力敏感受体在诱导激活的胰腺星状细胞重编程中的关键作用,为设计新的癌症治疗策略提供了潜在的途径。

摘要：目的铁基磁性纳米颗粒与旋转磁场耦合产生的机械力能够杀伤肿瘤细胞抑制肿瘤生长。肿瘤干细胞对常规化疗和放疗所表现出的固有抵抗性是导致肿瘤复发和转移的重要因素。本研究设计并合成能够选择性靶向胃癌干细胞的铁基磁性纳米颗粒,并阐明在15 Hz旋转磁场下产生的机械力对胃癌干细胞的作用机制,同时评估机械力对肿瘤生长的抑制情况。方法首先,采用短期顺铂预处理与无血清培养相结合的方法筛选出胃癌干细胞并验证其干性。采用热分解法合成直径为90±9 nm饱和磁化强度为79.9 emu/g且具有钝角结构的多边形磁性纳米颗粒随后将CD44抗体和细胞穿膜肽修饰到纳米颗粒上使其具有靶向性。结果和结论体外细胞实验证明该纳米颗粒能够选择性地靶向胃癌干细胞在15Hz旋转磁场作用下产生机械力导致细胞膜和线粒体结构被明显破坏且细胞内出现铁死亡现象这些因素最终导致胃癌干细胞凋亡。此外,该多边形磁性纳米颗粒表现出良好的生物相容性,并在体内实验中显著抑制肿瘤生长。综上所述,本研究为机械力干预肿瘤生长提供了一个有前景的途径。

摘要：牙周组织主要由牙骨质(硬)-牙周膜(软)-牙槽骨(硬)复合体组成,其中牙周膜-牙槽骨组织界面是功能发挥的关键因素之一。然而,临床治疗仍无法在缺损区重建出牙周膜-牙槽骨组织界面的生理结构和功能。目的表征牙周膜—牙槽骨组织界面的组成、结构和力学特性,探究炎症时该界面力学微环境调控间充质干细胞(MSCs)免疫表型的机制。方法使用拉曼光谱、原子力显微镜、多重免疫组化技术表征健康、牙周炎SD大鼠的组织界面力学微环境和MSCs免疫表型。其次,制备刚度梯度细胞培养平台,模拟在体组织界面MSCs刚度梯度微环境。最后,基于细胞培养平台,结合免疫荧光和力学模型,阐明刚度梯度调控MSCs免疫表型的分子机制。结果组织界面存在细胞尺度的刚度梯度,牙周炎会导致组织界面刚度梯度强度(SGS特征)降低,且组织界面处的MSCs具有MSC2表型(抗炎表型)。其次,SGS特征通过细胞极化调控MSC2表型。最后,发现SGS特征通过整合素和肌球蛋白ⅡB极化以及细胞核力学转导调控MSC2表型的关键力学生物学机制。结论牙周膜-牙槽骨组织界面存在细胞尺度的刚度梯度,SGS特征通过调控MSCs细胞极化影响MSC2表型。这项工作为组织工程和再生医学应用中合理设计软—硬组织界面的仿生策略提供了指导。