01
一种用于细胞封装系统的快速氧化仿生支架
A bioinspired scaffold for rapid oxygenation of cell encapsulation systems. Nat Commun 12, 5846 (2021). 06 October 2021.
氧合不足是细胞封装的一个主要挑战，这种疗法有可能治疗包括I型糖尿病在内的许多疾病。在这样的系统中，细胞氧（O2）的输送仅限于从移植部位缓慢的被动扩散通过氧溶性差的包封基质，这种基质通常是水凝胶。为了确保细胞功能，这将封装细胞和宿主位置之间的最大允许距离限制在几百微米以内。受黄粉虫天然气相气管氧气输送系统的启发，我们设计了一种仿生支架，其内部连续空气通道的氧气扩散率比水凝胶高10000倍。我们将支架并入一个含有细胞的块状水凝胶中，这有助于氧气通过整个系统快速输送到离设备-主机边界几毫米远的细胞。一个通过体外分析验证的计算模型预测，细胞和胰岛即使在厚（6.6mm）层中也能保持较高的活力。最后，该装置的治疗潜力通过纠正6个月以上的大鼠胰岛免疫活性糖尿病得到证明。
仿生胰岛构建的快速氧合网络支架的设计和制作
a.黄粉虫幼虫的数字图像。b.粉虱尾部（左）和体内分段气相气管系统（右）纳米CT图像的3D重建。c.图示粉蚧中的气管系统和氧气通过气管输送到周围细胞组织的示意图。d一个示意图，说明氧气通过气管梯状网络（如声波支架）从移植部位输送到细胞封装系统。氟聚合物PVDF-HFP的化学结构。f梯状声波脚手架的制作。g胰岛构建的快速氧合网络支架的数字图像。h表示胰岛构建的快速氧合网络支架宏观和微体系结构的示意图。i多孔支架的纳米CT图像（星号表示孔隙区域）。j选定区域纳米CT图像的三维重建（26 × 34.84 × 5.36 µm）内的声波支架，显示双连续的微观结构（漫红色表示多孔骨架中的气相）。k 胰岛构建的快速氧合网络支架聚合物（蓝色）和多孔（红色）区域的骨架网络。
02
利用等离子体纳米探针对单个衰老细胞组蛋白修饰的高空间和色度成像
High-spatial and colourimetric imaging of histone modifications in single senescent cells using plasmonic nanoprobes. Nat Commun 12, 5899 (2021). 08 October 2021
组蛋白与染色质状态密切相关，其尾部的表观遗传修饰导致细胞内的调节。因此，开发各种分析工具来描绘组蛋白修饰的位置和分布的变化有助于研究潜在的机制。在此，我们提出了一种利用等离子体纳米颗粒作为探针的高空间和色度成像方法，以可视化单个细胞核中的异染色质组蛋白标记。我们利用等离子体纳米探针的距离依赖性耦合效应，基于散射颜色和光谱位移，观察到抑制性组蛋白标记H3K9me3和H3K27me3之间的重组，这是由癌基因诱导的衰老引起的。根据等离子体纳米探针之间的排列和距离，测量的散射剖面大小与模拟散射光谱的计算结果相吻合。基于等离子体纳米探针的高空间高光谱成像为研究组蛋白修饰的动力学提供了一种先进的方法，可用于预测疾病或衰老的进展。
在单个细胞中使用等离子体纳米探针进行组蛋白成像的示意图a. 与组蛋白修饰标记物的一级抗体结合的等离子体纳米探针。单个金纳米颗粒（GNP）的电子显微照片和暗场散射图像，代表五个实验的图像。黑色标尺，20 纳米。白色比例尺，500 纳米。b生长细胞和衰老细胞中与针对异染色质组蛋白标记的抗体（Ab GNP）结合的等离子体纳米探针的代表性暗场散射图像。代表五个实验的图像。比例尺，10 µm。c以异色标记为目标的等离子体纳米探针的空间排列示例，以及探针的距离相关散射的模拟光谱。d根据等离子体纳米探针的排列，模拟散射光谱峰值（λmax）的趋势。
03
基于逆向设计的超相干纳米机械谐振器
Ultra-coherent nanomechanical resonators based on inverse design. Nat Commun 12, 5766 (2021). 01 October 2021
具有超低损耗的工程化微纳机械谐振器为各种量子技术和基础研究提供了一个很有前景的平台。传统上，通过纳米机械结构工程改善谐振器的性能是由人类的直觉和洞察力驱动的。这样一种方法效率低下，并且留下了大量未经探索的机械设计，而这些设计可能实现更好的性能。在这里，我们使用一种称为拓扑优化的计算机辅助逆设计方法，从结构上设计具有优化基本机械模式性能的机械谐振器。利用这种方法的结果，我们制作并表征了超相干纳米机械谐振器，据我们所知，其品质因子值达到了历史最高水平 。这里所提出的方法——也可用于改进声子晶体和耦合模式谐振器——为设计超相干微纳机械谐振器开辟了一个新的范例，例如，使基础物理和极端传感方面的新实验成为可能。
拓扑优化模型
a. 拓扑优化中使用的模型示例。注：弹簧说明了弹簧的连续分布。b两种阻尼机制的说明：弯曲形式的固有损耗和声子隧穿损耗。c谐振器D1优化程序的图解，以及设计演变的快照。透明度表示材质密度。