近日，中国科学院深圳先进技术研究院纳米调控与生物力学研究室杜学敏副研究员团队研发出一种离子交联型水凝胶，首次报道了通过生物兼容性离子（Na+/Ca2+）触发水凝胶可控三维形变，并揭示了其内外反转三维可逆形变机制。相关论文以Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels（离子触发内外反转三维可逆形变水凝胶）为题在Science合作期刊Research上在线发表（Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296），杜学敏副研究员是论文共同第一作者和通讯作者，崔欢庆助理研究员为本文共同第一作者。 　　近年来，仿生可控三维形变材料在组织工程与人工器官等医学领域应用广泛，但传统材料或是欠缺可控形变能力，或是刺激调控手段面临安全性挑战，因此极大限制了传统生物材料医学应用。如何成功实现传统生物材料的可控三维形变，及采用生物相容性手段调控形变，仍是材料生物学应用面临的一大难题。 　　为此，杜学敏研究团队基于前期在材料可控形变设计经验（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），创新性地仿生自然中触之形变植物的构造原理，通过表面定向排列微阵列结构与自上而下的梯度交联设计结合，成功实现钙离子交联的海藻酸钠水凝胶可控三维形变。研究人员将所得螺旋形水凝胶置于0.1 M NaCl溶液中，发现三维螺旋形会逐渐变形为二维平面结构，最终结构进一步反转形成微通道朝外的反向三维螺旋结构。当反转形变后的三维螺旋结构重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中时，样品会恢复到微通道朝内的初始三维螺旋结构。杜学敏研究团队还发现，将三维形变水凝胶置于NaCl与CaCl2的混合溶液中，通过调节溶液中Na+/Ca2+浓度比例，还可成功“冻结”海藻酸钠水凝胶三维动态形变过程中的瞬态形状。而且，通过耦合多种不同取向微阵列结构，杜学敏研究团队成功实现了类似DNA分子的双螺旋结构，及自然界中各种复杂花的三维形状，还成功模拟了仿生花在离子溶液中动态绽放与闭合。 　　该项研究揭示了应用广泛的海藻酸钠水凝胶的三维可控形变设计机制，不仅为传统材料可控形变设计提供了一种普适性方法，而且将极大拓展可控形变与响应性海藻酸钠等水凝胶在再生医学与柔体机器人等领域广泛应用。 　　该研究工作得到了科技部重点研发专项（2017YFA0701303）与粤港科技合作资助计划（2017A050506040）等项目资助。

        近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所郑海荣团队在超声神经调控方面取得新进展，相关研究On-Chip Ultrasound Modulation of Pyramidal Neuronal Activity in Hippocampal Slices发表在Advanced Biosystems杂志上，并被选为封面文章（Outside Front Cover）。  　　近些年，超声神经调控作为新型无创的神经调控技术得到广泛关注，有望为神经精神疾病的干预治疗提供新的临床解决方案。郑海荣团队针对神经元、秀丽隐杆线虫、啮齿动物、非灵长类动物的超声调控内在机制及干预治疗开展了全面的研究并研制多种跨尺度超声神经调控仪器。 　　超声神经调控的内在机制尚不清楚，同时由于传统超声探头体积大，与电生理及钙成像系统兼容性差，进一步限制了超声神经调控机制的研究。研究人员设计利用自主研发的新型超声神经刺激芯片，建立了兼容离体脑片膜片钳记录的实验系统，并以离体海马脑片作为研究对象。研究结果表明，在超声作用下，海马椎体神经元能被超声激活产生动作电位，并随着超声强度的增加，动作电位发放频率相应提高。同时，超声刺激的机械效应能直接增强神经元钠离子内流，从而显著提高神经元兴奋性。另外，超声刺激改变了钠通道生物动力学特性从而提高通道开放效率。在通道激活过程中，超声刺激显著降低通道激活阈值；在通道失活过程中，超声刺激显著加快通道失活速率；在通道恢复过程中，超声刺激显著降低通道回复时间。 　　本工作的意义在于研发了新型的超声神经调控芯片，利用膜片钳记录手段系统地研究了超声刺激在单一神经元及离子通道水平的调控效应，为超声神经调控机制研究的进一步研究提供了新的思路和强有力的工具，为最终服务于临床奠定基础 。 　　上述研究工作得到国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金面上项目，广东省相关人才计划项目以及深圳市学科布局等多个项目支持。

        近日，中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员课题组成功制备出黑磷/铂异质结光催化剂，在太阳光驱动的有机催化反应中展现出极好的光催化活性。相关成果在线发表于材料领域的顶级刊物《先进材料》。团队已申请相关专利，相关技术将依托团队所孵化的企业中科墨磷(MoPhos)进行产业化转化。

        近日，中国科学院深圳先进研究院郑海荣课题组和浙江大学医学院李月舟课题组合作，在Nano Letters期刊发表了题为Ultrasonic control of neural activity through activation of mechanosensitive channel MscL的研究论文。该项研究将超声辐射力和机械敏感性离子通道结合起来，首次在神经元上通过超声刺激激活机械敏感性离子通道，并进而精确控制神经元的兴奋性。该成果开拓了超声在脑科学研究中的新方向，为超声遗传学技术的进一步发展奠定了基础，具有重要的理论意义和应用价值。 　　近年来兴起的光遗传学技术，被称为是21世纪神经科学领域最引人注目的革新，在猴、鼠、果蝇、线虫等模式生物中得到广泛应用。其主要原理是采用基因操作技术将细菌的光敏感蛋白转入到特定类型的神经元中进行表达，并通过不同波长的光照刺激光敏感蛋白，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。但是在哺乳动物中，光遗传学技术需要通过颅骨手术将特定波长的光线引入脑中，这种创伤性为其在活体的应用带来一定的局限。因此，越来越多的研究人员将目光转向无损伤的方法，比如通过超声，可以无损伤的穿透深入大脑或其他组织内部，并且可以通过聚焦获得精确定位。 　　由于细胞对超声的响应能力有限，为了达到通过超声精确控制神经元的目的，需要找到一种介质既可以很好的响应超声刺激，又可以在神经元表达并赋予神经元灵敏的超声敏感性。考虑到超声的机械效应，机械敏感性离子通道是一个很好的选择。机械敏感性离子通道是近年来发现的一种新型离子通道，有别于传统的电压敏感，以及配体门控类型的离子通道，它感受细胞形变等方式导致的膜张力的变化而开放，引起细胞内外离子的跨膜运输，参与介导众多的生命活动，其功能愈来愈受到重视。浙江大学医学院李月舟课题组长期以来致力机械敏感性离子通道开放机制和功能，深圳先进研究院郑海荣课题组掌握了独特的超声辐射力神经调控技术，在超声神经调控仪器研制方面积累了丰富的经验，两者的合作促成了该项研究。 　　实验中，课题组选择了来自细菌的机械敏感性离子通道MscL。MscL具有作为纳米开关的天然优势。它结构简单，只有136个氨基酸，容易在真核生物表达；它自身可以直接被膜张力所激活，并且不需要其它成分的参与；它开放形成30埃左右的巨大孔径，通透效率高；它不和其它蛋白相互作用，不会干扰细胞的其它功能。课题组首先构建了重组MscL基因的病毒，然后通过病毒感染在原代培养的大鼠神经元中表达MscL通道。结果表明MscL可以在神经元上功能性表达，并对机械刺激保持敏感（图2）。 　　在基金委重大科研仪器支持下，中国科学院深圳先进院郑海荣课题组设计开发了一系列跨尺度超声神经调控工具（图3）。超声辐射力神经刺激芯设计基于不同主频叉指换能器指条宽度，形状，对数和声孔径尺寸，通过标准微纳加工技术光刻，溅射叉指换能器电极，制备微型声场可调超声神经刺激芯片，产生高强度局域声场及超声辐射力可有效作用于神经元细胞。该芯片可与钙成像、膜片钳等生物学手段相兼容，实时监测超声诱发的生物效应，为超声神经调控治疗神经类疾病提供基础和理论依据。同时研制的动物超声神经刺激系统可对深部脑核团和神经环路开展无创、动态和网络式的神经刺激与调控。该技术和工具的研制可在脑疾病的研究、神经科学基础研究及其相关领域科学广泛应用。该研究结果为后续的活体超声遗传学奠定了基础，并有望通过进一步开发的多面阵、多焦点的深部脑刺激超声调控仪器解析神经环路，并对帕金森症、抑郁症等脑疾病提供新的研究，甚至是治疗的有效新工具。 　　浙江大学医学院的博士生叶佳、唐思阳，以及深圳先进院的孟龙副研究员是本文的第一作者，郑海荣和李月舟是本文的通讯作者。参与该工作的还有浙江大学医学院的段树民院士、胡海岚教授、李相尧教授，浙江大学附属儿童医院舒强院长、江米足教授、尚世强教授，深圳先进研究院的牛丽丽副研究员、邱维宝研究员。该研究得到国家自然科学基金（81527901，11534013，31270878）、科技部973计划（2014CB910302）等项目的资助。

        国际学术期刊Advanced Optical Materials近日在线发表了中国科学院深圳先进技术研究院－MIT麦戈文联合脑认知与脑疾病研究所研究团队的最新成果Ultra-soft and Highly Stretchable Hydrogel Optical Fibers for In Vivo Optogenetic Modulations（DOI:10.1002/adom.201800427）。该研究首次采用柔性可拉伸的水凝胶光纤，在动物活体水平实现了对目标神经元的选择性调控。这一“在体柔性光遗传技术”的建立，有望为神经精神疾病的治疗提供新的工具。 　　由于光遗传技术同时兼具毫秒级的时间分辨率和细胞选择性，已经被广泛地应用于神经环路的精准解析和调控，并且在神经精神疾病的治疗研究中展现出了巨大的应用潜力。目前，在实施活体水平光遗传学调控的过程中，研究者主要是通过埋置在体内的石英光纤将特定波长的激光导入，从而实现对目标神经组织的选择性调控。然而，由于传统的石英光纤具有较高的杨氏模量（1-10GPa），与神经组织（1-10kPa）极不匹配，长期植入后可能会引发光纤周围神经组织的反复损伤，降低调控的效果。更为重要的是，传统光纤与神经组织之间巨大的力学性能差异，严重限制了光遗传技术在大形变神经组织（例如脊髓、视神经、迷走神经、坐骨神经等）中的应用。 　　为了解决上述问题，研究团队合成了具有高导光性的海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶材料，并且在此基础上制备出了直径为100-600微米的水凝胶光纤。制备的水凝胶光纤具有优异的光学和力学性能，在空气中测得的光传导损失率仅为0.25dB/cm，杨氏模量与神经组织接近（约60kPa），并且能反复拉伸至初始长度的400%以上。借助这种水凝胶光纤，可以稳定地诱发出神经元的特异性相应，并实现对动物行为的控制。此外，与传统的石英光纤相比，这种水凝胶光纤具有更佳的组织相容性。并且在经过长期的体内埋植后，水凝胶光纤仍能基本保持原有的光学和力学性能。得益于上述特性，团队研发的水凝胶光纤将为光遗传技术在脊髓和周边神经的应用乃至未来的临床化发展提供重要的技术支持。 　　王璐璐和钟成为本文的共同第一作者，王立平研究员和鲁艺副研究员为共同通讯作者。这项工作是上述团队继光电极及神经界面技术后（Biomaterials，2012；Journal of Neuroscience Methods，2014；Nature Communications，2016；Electrochemistry Communications，2017），在光遗传学技术领域取得的又一重要进展。该研究受国家自然科学基金委、中国科学院、广东省科技厅、深圳市科技创新委、深圳市发展改革委等部门项目的资助。