骨骼肌的案例
快訊《AFM》各向異性3D圖案重建肌肉束狀組織
【科研摘要】
骨骼肌的組織工程學已被提出作為廣泛的肌肉損傷的一種潛在的再生治療方法。在這方面，骨骼肌的高度組織化的結構使細胞的排列在肌肉組織工程中尤其不可或缺。然而，實現所需的對準繼續證明是有挑戰性的，尤其是在
3D工程組織構造中。
最近
，
韓國科學技術學院
Nakwon Choi
/延世大學
Seung‐Woo Cho
教授
團隊
展示了一種仿生方法，
通過概括3D肌肉樣細胞和細胞外組織來生成功能性骨骼肌束樣組織。實現了肌肉細胞外基質（MEM）納米纖維的各向異性3D對齊，該納米纖維能夠通過調節可拉伸彈性體芯片中的纖維形成動力學來提供促肌原性微環境。
重新編程的肌肉祖細胞沿著對齊的MEM納米纖維以3D構型發育肌纖維
，最終達到骨骼肌的結構和功能成熟。
由此產生的
3D肌肉束狀結構可支持從頭肌肉再生，并在造成體積肌肉丟失和先天性肌營養不良的動物模型中誘導受傷肌肉的功能恢復。
這項研究不僅強調了模擬肌肉的結構指導線索對3D肌肉組織工程的基本作用，而且還揭示了人工肌肉構造在再生醫學中的臨床潛力。
相關論文以題為
Reconstruction of Muscle Fascicle‐Like Tissues by Anisotropic 3D Patterning
發表在《
Advanced
Functional
Materials
》上。
圖1
MEM的表征和3D對齊的MEM水凝膠的生成。
圖2
MEM的蛋白質組學表征。
圖3
在
3D工程化骨骼肌構造中增強了iMPC的肌發生。
展開 清華楊忠強課題組Small：開發出一種用于人工肌肉的兼具快速、大幅度可逆形變能力的電熱響應液晶彈性體纖維
通過電熱效應操控LM-LCE纖維形變時，纖維溫度及升溫速率均可通過改變電刺激的參數進行調控：通過調控電壓，LM-LCE纖維在各個通電時間下均可以達到約43%的最大形變率，與人類骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達到最大，約為562 °C·s-1，此時，纖維的平均形變速率也達到最大，約為284 %·s-1，是人類骨骼肌收縮速率（>50%·s-1）的5倍以上。
圖3. 模仿人類肱三頭肌的LM-LCE纖維驅動的精確拋球。
最后，該團隊展示了LM-LCE纖維作為人工肌肉對外做功的能力。設計了人工手臂以模擬投籃時肱三頭肌快速收縮做功的過程：LM-LCE纖維在脈沖電刺激下發生快速收縮，帶動模擬前臂的投射桿將小球加速投出。由于LM-LCE纖維可以通過調控電壓及通電時間發生可控形變，因此所制備的人工手臂實現了對小球拋射速度和距離的精確控制。在這一過程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過改變輸入電能實現在0~367 W·kg-1的大范圍內精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過了人類骨骼肌（280 W·kg-1）。LM-LCE纖維在電致形變過程中能抬起自身重量220倍以上的物體，輸出0.6 MPa的收縮應力，并產生最大417 kJ·m-3的功密度，是人類骨骼肌性能（40 kJ·m-3）的10倍。
以上研究成果以《Ultra-Fast, High-Contractile Electrothermal-Driven Liquid Crystal Elastomer Fibers towards Artificial Muscles》為題，發表在Small上。
展開 基因療法成功治愈小鼠2型糖尿病和肥胖
下一步在進行患者臨床試驗之前研究人員還需要進行大規模的動物研究來檢測這種基因療法的安全性，AAV所介導的基因療法目前已經在歐洲和美國獲批用來治療多種類型的基因，而且研究人員在利用AAV介導的肝臟和骨骼肌基因轉移上也具有廣泛的臨床經驗，因此未來研究人員有望利用基于FGF21的基因療法來治療2型糖尿病、肥胖癥及其相關的疾病。
來源：生物醫學實驗共享平臺
華南理工劉偉峰和廣東工大邱學青《Nat. Commun.》：基于機械訓練和木質素協同配位增強的人工肌肉功能彈性體復合材料
人體骨骼肌具有優異的機械訓練自增強、應變硬化、智能驅動等綜合特征，使得肌肉能夠不斷自我強化抵抗外界作用力，并能根據神經系統的電流信號對外做功來改造環境。受之啟發的人工肌肉功能材料在醫療器械、機器人、智能驅動等領域具有重要的應用前景。但是，要把人體骨骼肌的這些優異特征全部集成到單一合成材料上是一個巨大的挑戰。
圖1 人體骨骼肌基本特征
近日，華南理工大學劉偉峰和廣東工業大學邱學青教授團隊使用極其常見的三元乙丙橡膠（EPDM）和極其普通的工業木質素（一般人都不會注意它）為原料，利用木質素協同配位增強的功能，結合機械訓練方法，首次構建出同時具備機械訓練自增強、應變硬化和智能驅動等綜合特征的人工肌肉功能材料。
圖2 人工肌肉制備和變形機理示意圖
首先向EPDM基體內添加具有配位能力的木質素作為綠色增強劑，同時在木質素與EPDM相界面引入鋅離子配位鍵，再通過反復的機械訓練，促使配位交聯網絡重排，構建出具有局部鏈段穩定取向的EPDM復合材料。重構的配位交聯網絡不但能集中斷裂耗散能量，而且能更有效促進鏈段取向結晶，使材料呈現機械訓練自增強和應變硬化的特點。并且，EPDM特殊的鏈段微結構使復合材料能在外界熱/電刺激下往復對外做功，執行應變可超過40%，執行應力高達1.5 MPa（人體骨骼肌的執行應變40%，執行應力0.35 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的對外做功能力。
展開 
運動能對全身產生重大影響：MIT/哈佛團隊繪制“運動減肥”的基因和細胞通路
白色脂肪組織（WAT）和骨骼肌（SkM）分別是最受肥胖和運動影響的組織（之一）。因此，一直是在組織水平上研究的重點。
為了探索這個復雜的問題，Manolis Kellis 團隊決定對小鼠骨骼肌、內臟白色脂肪組織（vWAT）和皮下白色脂肪組織（scWAT）進行單細胞 RNA 測序。vWAT 聚集在內臟器官周圍，主要儲存脂肪；scWAT 存在于皮膚下，主要負責燃燒脂肪。這些組織來自四個不同實驗組的小鼠。兩組小鼠被分別喂食正常飲食和高脂肪飲食。三周后，兩組動物又被進一步分為久坐組和運動組。
研究人員在所有三種組織中發現了1386個組織水平差異表達基因?；虮倔w論途徑富集和蛋白質-蛋白質相互作用分析揭示了干預措施和組織之間共同和獨特的生物學過程。
他們還生成了一個包含204883個細胞的單細胞圖譜，用于研究肥胖-運動相互作用。通過分析這些小鼠的組織，研究人員可以全面地對53種不同細胞類型中被運動激活或抑制的基因進行分類。
他們觀察到在所有三種類型的組織中，間充質干細胞（MSC）似乎控制了他們觀察到的許多飲食和運動誘導的影響。間充質干細胞是一種可以分化為其他類型細胞的干細胞，包括脂肪細胞和成纖維細胞。研究團隊發現，在脂肪組織中，高脂肪飲食調節了間充質干細胞分化為脂肪儲存細胞，而運動則逆轉了這種作用。
除了促進脂肪儲存，研究人員發現高脂肪飲食還刺激間充質干細胞分泌重塑細胞外基質的因子。細胞外基質（ECM）是一種蛋白質和其他分子組成的網絡，包圍并支持體內的細胞和組織。ECM的重塑有助于為擴大的脂肪存儲細胞提供結構，同時還創造了一個更具炎癥性的環境。
Manolis Kellis 表示，隨著脂肪細胞的脂質超載，壓力會非常大，這會進一步導致低度炎癥。這種炎癥是全身性的并且可以長期存在。
展開 上海交大朱向陽教授和谷國迎教授等NSR：新型人工肌肉-模仿舌頭與象鼻，伸縮彎扭全都行
上海交通大學機器人所研究團隊模仿人舌、象鼻等生物組織中的“靜水壓骨骼肌”，設計制造了一類氣動人工肌肉，可以實現伸長、彎曲、螺旋、縮短、扭轉等多種運動模態以及它們的組合，并提出了這種人工肌肉的快速設計和制造方法。
相關成果發表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR），上海交通大學博士后鄒江為第一作者，上海交通大學朱向陽教授和谷國迎教授為論文的通訊作者，論文合作者還包括美國麻省理工學院方絢萊教授。
多模態氣動人工肌肉的工作原理及設計、制造方法
人工肌肉是軟體機器人的關鍵核心技術。然而，由于缺乏簡單有效的設計與制造方法，現有的人工肌肉通常只能產生單一的運動模態，多模態人工肌肉的自動化設計與快速制造一直是該領域研究的難點。
在象鼻、人舌、章魚觸手等生物組織中，存在“靜水壓骨骼肌”，它可以選擇性驅動不同的主動肌纖維陣列，從而產生不同的驅動模態，包括伸長、縮短、彎曲和扭轉等，賦予了生物組織無與倫比的靈巧性。
以此為靈感，研究團隊提出了一類仿肌纖維陣列的多模態氣動人工肌肉。該人工肌肉主要由主動彈性體氣球陣列和被動彈性體薄膜組成，通過選擇性驅動不同方向的主動彈性體氣球，可以產生伸長、彎曲、螺旋、縮短、扭轉等不同的運動模態以及它們的組合，比如并聯的伸長-彎曲-螺旋運動、并聯的10個彎曲運動、串聯的伸長-彎曲-螺旋運動等。
研究者提出了一種平面設計和卷曲成型相結合的方法，實現了人工肌肉三維結構的快速制造。
展開 西班牙生物3D打印肌肉組織，用于開發軟體機器人！
在研發過程中，研究人員使用了高度對齊的肌管構成的3D打印生物執行器，其中，肌管指的是骨骼肌的多核纖維。肌肉在某柱形裝置處打印，同時由該柱形裝置測量肌肉功能，分析基因表達，以評估肌肉對運動的反應?！凹∪膺\動具有一定的功能性和敏感性，產生的力量可以按需調整。
事實證明，這種生物系統可以用于機器人設備，使機器人的性能更加接近真實的生物性能，從而顯著提高整體的應用效果。相關工作人員表示。 “也許這是開發能夠抓握或行走的軟體機器人的關鍵?！?（來源：三迪時空）
《ACS Nano》西安交大雷波課題組在新型生物活性材料用于創面皮膚再生方面取得新進展
此前，雷波課題組在設計新型生物活性材料用于骨組織再生(Biomaterials, 2018, 178, 36; Advanced Functional Mateirals, 2015, 25, 5016)、骨骼肌再生(Biomaterials, 2018, 157,40; Biomaterials, 2018, 175, 19)、腫瘤診療(ACS Nano, 2018, 12, 2017;Biomaterials, 2015, 59, 21)已經取得了一系列進展。
該研究受到國家自然科學基金面上項目與青年項目、國家自然科學基金重點項目、博士后基金、陜西省顱頜面精準醫學研究重點實驗、西安交通大學分析測試中心等的支持。
來源：高分子科學前沿
展開 給3D打印假手裝上攝像頭，智能抓取85.2％的家用物體
肌電假肢是目前殘疾人使用的相對高級的假肢，它通過骨骼肌中產生的肌電圖（EMG）信號控制肌電假手，然而一項更加智能的假肢在3D打印技術的支持下被研發出來。
據外媒報道，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員開發出一種先進的五指3D打印假肢，旨在通過智能機制減輕用戶的認知負擔。他們的3D打印手假肢集成了傳感器，先進的嵌入式系統，手掌底部的RGB攝像頭和手背上的彩色顯示屏，可自動抓取物體。
“在機械設計方面，一種自適應的，驅動的機制被用來讓手指抓取任意形狀的物體，”研究人員解釋說。“傳感器系統包括兩個電機中的位置傳感器和用于基于視覺的抓取的RGB相機。板載嵌入式系統通過藍牙集成傳感器信息，視覺信息，用戶反饋和狀態信息。
研究人員表示，該手部假肢是第一個將相機集成在手掌中的裝置。為了確保人性化的外觀，包括電機，機構，嵌入式系統，傳感器，用戶反饋和用戶界面在內的完整硬件被集成到普通男性手掌中。KITUProHand可作為獨立單元完全啟動和控制，無需任何外部計算資源。
假肢外部采用PA2200材料通過選擇性激光燒結進行3D打印，PA2200是功能原型3D打印中最常用的材料之一。據研究人員稱，3D打印被選擇作為一種制造方法，以便使用他們的3D打印手為佩戴者進行個性化生產。手指使用PA2200進行3D打印，以匹配手掌的強度和視覺外觀?；赥UAT/Karlsruhe機構，通過力分配傳動同時驅動所有四個手指，拇指由第二馬達帶動。該機構的結構允許手指在物體周圍自然地成形。
研究人員進行了幾項測試，使用3D打印的手抓取不同形狀的家用物品。
展開 哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組 Matter/Adv. Mater.：冷凍生物打印技術的研發、優化和應用
與標準水凝膠中的相同細胞相比，垂直冷凍生物打印水凝膠支架中的骨骼肌成肌細胞顯示出增強的細胞活力、伸展和排列形態。該方法進一步擴展到多材料打印，在界面組織工程中尋找潛在應用，例如創建肌肉-肌腱單元和肌肉-微血管單元。這種的獨特的垂直冷凍生物打印技術在各向異性組織的組織工程、藥物發現和個性化治療等中將有廣泛應用（圖2）。
圖2 垂直冷凍生物打印示意圖及其在肌肉組織工程中的應用。
該文章以“Support Bath-Free Vertical Extrusion Cryo(bio)printing for Anisotropic Tissue Manufacturing”為題發表在《Adv. Mater.》上。哈佛大學醫學院、四川大學華西臨床醫學院聯合培養博士羅澤宇，哈佛大學醫學院、南京林業大學聯合培養博士唐國勝 （現廣州醫科大學教授）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108931
展開 科學補硒，很有必要
硒是肌肉的功能的重要成分，缺硒會使骨骼肌萎縮和呈灰白色條紋，發生心肌受損，心肌細胞致密性變化，脂質增多，鈣質沉積，導致疾病發生。
值得注意的是，兒童缺硒的癥狀和成人缺硒的癥狀有所不同，生活中可以根據以下癥狀分類留意家人是否缺硒。
兒童發生慢性硒缺乏病時，會阻礙身體的成長速度。青少年除生長緩慢外，還會性成熟推遲，性器官發育不全，第二性征發育不明顯等。
成人硒缺乏的表現主要是脫發、脫甲，部分患者還會出現皮膚癥狀，少數患者可出現神經癥狀及牙齒損害。
人輕度或中度缺硒時，其征兆或癥狀并不明顯。人體缺硒可能誘發很多疾病，例如能量缺乏性營養不良、血溶性貧血、克山病、大骨節病、高血壓。
中國成年人每日食物外補硒25微克以上有保健作用；缺硒成年人每日食物外補硒50微克或75微克以上，在天然食物中，富硒大米、富硒小麥、海鮮、蘑菇、雞蛋、大蒜、銀杏等含硒元素都比較高，缺硒的人群可以適當增加這方面的食物，正常人群只需要保持飲食均衡就可以攝取充足的硒。
無論是嬰兒缺硒還是成人缺硒，補硒都是必要的，人體自身不能合成硒，食物中的硒才是主要來源，在補硒的方法上，可以多吃一些堅果類的食物，或是含硒量高的水果和蔬菜，確保自己的營養均衡。
硒與其他礦物元素一樣具有兩重性，即適量有益，超量有害。補硒雖然很有必要，但不能盲目進補，如果盲目補硒可能會造成副作用。如果癥狀嚴重，最好詢問醫生意見及時治療。
來源：中國日報網
展開 
上海交大劉河洲研究員和陳玉潔副研究員團隊Chem. Mater.：可重復循環的超強多重響應人造肌肉材料
由于此類特殊結構的作用，該人造肌肉材料很好地結合了半結晶聚合物與液晶彈性體的優點，具有
超強的人工肌肉驅動性能（可以提拉自身質量2000倍以上的重物，能量密度與功率密度分別為人類骨骼肌的46.5倍和26.6倍）以及可編程性能（274.84%的斷裂伸長率與1秒內100%的形狀恢復率）。此外，該材料還表現出
基于表面自修復性能的可擦寫行為，在破壞表面形成圖案后，樣品可以在熱條件下實現1分鐘之內的表面自修復（圖2）。
圖3.新型人造肌肉材料的光響應性能。
經過測試，該人造肌肉材料對于365 nm波段的紫外光與800-900 nm的近紅外光表現出出色的響應性能。當樣品單邊被固定時，彎曲角度從0°增加至180°以及從180°恢復至0°的過程均在30秒內實現。當樣品兩端被固定時，紫外光引發的宏觀蜷曲收縮與近紅外光引發的光熱恢復均可拖動自身質量300倍的負載運動。此外，該材料表現出類似人類手臂行為的向光負載彎曲，可以攜帶自身質量8.3倍的負載彎曲60°，遠超于此前同類材料的報道（圖3）。
圖4.新型人造肌肉材料的數值模擬結果。
在此基礎上采用有限元方法，建立了COMSOL multiphysics模型，在對實驗結果進行數學驗證的同時為相關光響應材料的驅動行為提供了數值理論與研究模型（圖4）。
相關論文發表在
Chemistry of Materials 上，上海交通大學博士研究生
陳馳為文章的第一作者，
陳玉潔副研究員和
劉河洲研究員為通訊作者。
展開 我們生活的年代，力學正在如何發展
Hill因骨骼肌收縮原理的研究獲得諾貝爾獎。但作為獨立的分支學科——生物力學卻在60年代得到快速發展，近年生物醫學工程得到迅速建立和發展。
生物力學主要涉及(1)生物流變學；(2)生理流動的力學規律；(3)器官力學；(4)細胞力學；(5)人體和其它生物的運動學。已經取得了許多重要成果。
21世紀生物力學將沿著已有方向前進，一方面和生物學各分支結合，另一方面與醫學和生物生化制品相結合。
生物醫學工程有望在21世紀得到重大發展，組織工程將是它的前沿，而生物力學則是其基礎。
生物力學還將為生物反應器和分離器的設計提供科學依據、新方法和新技術。
植物的生物力學研究也將作為改善生態環境、提高農產品產量的一部分而被列入21世紀研究日程。
力學與物理學的進一步交叉
20世紀50年代開始，力學家提出了物理力學，目的是通過物質微觀分析，把有關物質宏觀力學性質的實驗數據加以整理和總結，找出其規律，從而預見新的材料性質。
此分支學科一提出就得到了多方響應并取得了部分成果。例如，在高溫氣體、氣體激光器和核物理研究中都取得了喜人的成果。
但是，在用物理力學方法解釋固體的塑性、強度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。
可是，情況在發生重要變化，人們已經認識到對多晶材料至少存在宏觀、細觀和微觀三個主要層次，從微觀的簡單演繹不可能得到宏觀的性質。
由于細觀力學等的進展，在21世紀比較滿意地建立宏、細、微觀層次間的關系，應該是物理力學研究的重要領域。
水分子主動嵌入并形成仿生表面復合結構
為此，應當充分利用和開發計算機模擬和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術，促進(1)固體非平衡/不可逆熱力學理論；(2)塑性與強度的統計理論；(3)原子甚至電子層次上子系統的動力學理論等的研究。
展開 我們生活的年代，力學正在如何發展
Hill因骨骼肌收縮原理的研究獲得諾貝爾獎。但作為獨立的分支學科——生物力學卻在60年代得到快速發展，近年生物醫學工程得到迅速建立和發展。
生物力學主要涉及(1)生物流變學；(2)生理流動的力學規律；(3)器官力學；(4)細胞力學；(5)人體和其它生物的運動學。已經取得了許多重要成果。
21世紀生物力學將沿著已有方向前進，一方面和生物學各分支結合，另一方面與醫學和生物生化制品相結合。
生物醫學工程有望在21世紀得到重大發展，組織工程將是它的前沿，而生物力學則是其基礎。
生物力學還將為生物反應器和分離器的設計提供科學依據、新方法和新技術。
植物的生物力學研究也將作為改善生態環境、提高農產品產量的一部分而被列入21世紀研究日程。
力學與物理學的進一步交叉
20世紀50年代開始，力學家提出了物理力學，目的是通過物質微觀分析，把有關物質宏觀力學性質的實驗數據加以整理和總結，找出其規律，從而預見新的材料性質。
此分支學科一提出就得到了多方響應并取得了部分成果。例如，在高溫氣體、氣體激光器和核物理研究中都取得了喜人的成果。
但是，在用物理力學方法解釋固體的塑性、強度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。
可是，情況在發生重要變化，人們已經認識到對多晶材料至少存在宏觀、細觀和微觀三個主要層次，從微觀的簡單演繹不可能得到宏觀的性質。
由于細觀力學等的進展，在21世紀比較滿意地建立宏、細、微觀層次間的關系，應該是物理力學研究的重要領域。
水分子主動嵌入并形成仿生表面復合結構
為此，應當充分利用和開發計算機模擬和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術，促進(1)固體非平衡/不可逆熱力學理論；(2)塑性與強度的統計理論；(3)原子甚至電子層次上子系統的動力學理論等的研究。
來源：ANSYS學習與應用
展開 哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組Nat. Protoc.：器官芯片的電化學生物傳感器集成
Shrike Zhang教授：體外構建可注射型內皮細胞化微纖維用于微創原位再生新生血管新進展
華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫學院張宇教授課題組：在高度貫通多孔微載體用于骨骼肌細胞微創原位遞送方面取得新進展
哈佛醫學院《Adv. Funct. Mater.》：含有生物打印血管和淋巴管的腫瘤器官芯片
3D生物打印：從基礎研究到應用轉化
《先進材料》論文：雙水相乳液生物墨水-3D生物打印構建多孔水凝膠
哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang課題組聯合上海交大-仁濟醫院合作發表3D生物打印精準構建復層空腔組織的最新研究
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