数字组合仪

【科学背景】随着纳米科技的快速发展，无序胶体颗粒的自组装成为了研究的热点，特别是对于构建层次结构纳米材料的需求日益增加。在这个背景下，胶体液晶相和超晶格的形成引起了广泛关注。这些结构具有重要的电、光、催化、机械、离子/分子传输和能源等功能材料应用潜力。其中，无机纳米片由于其多样的材料和功能性质，以及自发形成的介相，备受关注。然而，由于纳米片尺寸的多分散性和不规则形状，精确设计其组装结构和功能成为了一个挑战。现有研究主要集中在液晶相和一维超晶格的组装，但由于结构的不可逆性和限制，微细的结构控制变得困难。此外，纳米片的表面性质以及与其他功能物种的组合设计也是一个待解决的问题。为了解决这些问题，日本东京大学Takashi Kato教授、Nobuyoshi Miyamoto教授在“Science Advances”期刊上发表了题为“Monodisperse nanosheet mesophases”的研究论文，引起了不小的关注！他们通过调控纳米片之间的微弱吸引相互作用和熵相互作用，成功地实现了单分散钛酸盐纳米片形成高度调控的超结构介相。通过使用透射电子显微镜、偏光光学显微镜、小角度X射线散射和共聚焦激光扫描显微镜等技术，他们详细研究了纳米片组装过程，并实现了对介相的可逆调控。【科学亮点】(1) 实验首次展示了通过微调弱吸引相互作用和熵相互作用，单分散的钛酸盐纳米片（mNSs）可逆地形成高度调控的超结构介相。（2）通过透射电子显微镜（TEM）、偏光光学显微镜（POM）、小角度X射线散射（SAXS）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）等技术，作者清晰地观察到了柱状纳米纤维（ColNFs）、柱状向列液晶（ColNF-Nems）和ColNF束（ColNF-Buns）的可逆形成。(3) 实验结果表明，控制对离子浓度、纳米片浓度、溶剂和温度等条件可以精确调控所形成的超结构介相，这为层次结构纳米制造提供了新的可能性。此外，相较于之前报道的单分散纳米片系统，本研究所使用的钛酸盐mNSs是唯一的阴离子系统，为通过与阳离子功能物种的组合进行材料设计提供了新的思路。【科学图文】图1：由离子强度和纳米片浓度控制的mNSs的ColNFs、ColNF-Nem和ColNF-Buns的形成。图2. mNS/水/EtOH胶体溶液的乙醇浓度依赖性的介相形态。图3. 不同阳离子种类的插层进入ColNFs。图4. 温度控制下TBA+/mNS水胶体的介相形成。【科学结论】本文揭示了通过微调弱吸引相互作用和熵相互作用，可以实现对无机纳米片的高度控制自组装，从而形成具有特定结构和功能的超结构介相。这一研究为设计和合成具有特定功能的纳米材料提供了新的思路和方法。通过理解纳米片自组装的机制，作者可以进一步探索材料自组装的规律，从而设计出更加复杂和多样化的纳米结构，拓展材料的应用领域。此外，本研究还为开发具有自修复功能的新型材料奠定了基础，这对于解决传统材料在应用过程中的损伤和老化问题具有重要意义。通过将这一方法应用于其他材料体系，可以为电子学、光学、催化剂等领域的材料设计和应用提供新的思路和可能性。原文详情：Nobuyoshi Miyamoto et al. ,Monodisperse nanosheet mesophases.Sci. Adv.10,eadk6452(2024).DOI:10.1126/sciadv.adk6452

p style=" text-indent: 2em " 记者从中国科学技术大学获悉，该校工程科学学院微纳米工程实验室利用飞秒激光引导毛细力自组装复合加工方法，实现了手性可控三维微结构和三维金属纳米间隙结构的灵活制备，并实现了在涡旋光手性检测和高灵敏度生化检测方面的应用，相关研究成果日前分别发表在《先进材料》和《先进功能材料》上。 /p p style=" text-indent: 2em " 手性微结构在光学和力学等领域具有重要的应用潜力，可以用于构筑多种多样的光学和力学超材料。目前三维手性微结构的灵活、可控制备仍存在诸多困难。中国科学技术大学微纳米工程实验室在飞秒激光复合加工方面开展了长期的系统性研究。在前期工作中，他们通过将飞秒激光直写与毛细力自组装技术结合，开发了新型的飞秒激光复合加工方法，实现了复杂多层级聚合物结构的制备，并在微物体操纵、微粒制备、微光学、仿毛细血管微通道制备等多个领域开展了应用研究。 /p p style=" text-indent: 2em " 在前期工作的基础上，研究团队将飞秒激光直写与毛细力驱动自组装技术相结合，通过调控微结构的空间排布、结构尺寸等参数，引导毛细力的方向和大小，成功制备了多层级手性微结构，并展示了该方法高度的灵活性和可扩展性。 /p p style=" text-indent: 2em " 此外，该研究团队还利用这种飞秒激光复合加工方法成功制备了三维金属纳米间隙结构，并实现了典型表面增强拉曼光谱SERS标的物R6G和抗癌药物DOX的高灵敏度检测。该研究为非平坦表面上构建金属纳米间隙结构提供了一种新的方法，有望将基于微流体的表面增强拉曼光谱检测技术应用于精准医疗、实时在线检测等领域。（记者吴长锋） /p

2022年5月4日，北京大学生命科学学院、生命联合中心邓宏魁课题组与李程课题组、北京大学医学部基础医学院徐君课题组在Cell Research杂志上发表了题为“Derivation of totipotent-like stem cells with blastocyst-like structure forming potential”的研究论文。该研究通过化学小分子筛选组合，建立了一个新的全能性干细胞培养条件，可以支持从小鼠二细胞胚胎及扩展型多能干细胞（EPS细胞）建立全能性干细胞系。这种新型全能性干细胞可在体外长期稳定培养，在分子特征和发育潜能上与小鼠二细胞胚胎高度相似，并且可以在体外被诱导形成在转录组水平上类似于体内囊胚的类囊胚结构。从左到右分别是李程、邓宏魁和徐君（来源：北京大学官网）如何在体外制备全能性干细胞，长期以来一直是干细胞领域的重要科学问题。在小鼠中，只有受精卵及二细胞胚胎具有全能性：单个细胞能够形成一个完整生命个体。随后发育形成的囊胚细胞可以被用于建立多潜能干细胞，滋养层干细胞及原始内胚层干细胞。然而，这些干细胞的发育潜能是受限的，无法同时发育到胚内和胚外组织。近年的研究发现：在小鼠多能干细胞群中存在极少量的表达小鼠二细胞胚胎分子标记MERVL的细胞，被称为二细胞样细胞（2-cell like cells），具有二细胞胚胎的部分分子特征(1)。然而，这种细胞无法在体外进行稳定的培养。此外，最近的研究发现，二细胞样细胞与体内二细胞胚胎仍存在较大差异，作为体外研究全能性的模型仍存在较大局限性（2）。北京大学邓宏魁团队长期以来致力于采用化学小分子调控的手段来建立调控干细胞的发育潜能的新方法（3-6）。2017年邓宏魁团队报道了一个新的小分子组合（LCDM），可以在人和小鼠中建立扩展型多能干细胞（EPS细胞）（4）。EPS细胞具有胚内胚外发育潜能，并且可以被诱导形成类囊胚（Blastoid）结构（7）。然而，与小鼠二细胞胚胎相比，这种细胞的分子特征与二细胞胚胎还有较大差异，细胞的胚外分化潜能也存在局限性，诱导获得的类囊胚结构中存在较高比例的中间态和中胚层样细胞（8）。最近北京大学杜鹏团队、中山大学王继厂团队等报道了全能性干细胞的诱导条件（9-10）。当前，如何直接自小鼠全能性胚胎建立全能性干细胞，仍是全能性干细胞研究的“金标准”。在本研究中，团队通过化学小分子高通量筛选，鉴定了能够在EPS细胞中诱导提高MERVL及Zscan4阳性细胞比例的化学小分子。通过进一步的组合优化，发现了一个可以将EPS细胞诱导为全能性干细胞的小分子组合CD1530，VPA，EPZ004777，CHIR 99021 (CPEC组合)，诱导获得的全能性干细胞能长期稳定地在体外培养。更为重要的是，CPEC组合可以在体外支持从小鼠二细胞胚胎直接建立全能性干细胞系。研究者将由CPEC组合支持建立的全能性干细胞命名为全能潜能干细胞（totipotent potential stem cells, TPS细胞）。研究者进一步从转录组、表观特征、嵌合能力等多个方面深入分析了TPS细胞的分子特征和发育潜能。他们发现TPS细胞在单细胞水平上表达大量的全能性特征基因，并且下调了多能性的分子标记。进一步的单细胞转录组分析发现，TPS细胞群中存在一个在转录组水平与中期二细胞胚胎高度相似的细胞亚群（约10%）。他们定量分析了TPS细胞、杜鹏团队报道的TBLC中的全能干细胞亚群、二细胞样细胞与二细胞胚胎的转录组相似度，发现TPS细胞中的全能干细胞亚群与二细胞胚胎的相似程度是最高的。ATAC-seq和全基因组甲基化分析也表明：TPS细胞具备了二细胞胚胎的表观修饰特征。在发育潜能分析方面，他们通过在不同发育阶段的单细胞嵌合实验证明了：单个TPS细胞具备了同时向胚内和胚外发育的能力。为了严格证明TPS细胞在体内的胚外发育潜能，他们对E17.5的嵌合胎盘进行了单细胞转录组分析，结果表明TPS来源的细胞可以分化形成多种胚外滋养层细胞类型。并且，他们发现tdTomato标记的TPS细胞与有GFP标记的受体胚胎形成的嵌合胎盘中，存在大量的tdTomato单阳性嵌合细胞，高表达滋养层细胞的分子标记，排除了由细胞融合导致的假阳性可能。这些结果表明了TPS细胞具备了与二细胞胚胎相似的分子特征和发育潜能。自组装形成类囊胚结构的能力是评估细胞全能性最为关键的功能性标准之一。研究者证明了通过调控早期胚胎发育的信号通路，可诱导TPS细胞高效形成类囊胚结构。单细胞转录组分析表明，TPS诱导的类囊胚结构中存在与小鼠E4.5囊胚中类似的上胚层、滋养外胚层、原始内胚层细胞，并且在转录组水平上高度相似。通过转录组数据的定量分析，研究者进一步比较了TPS-类囊胚结构中的滋养层细胞、小鼠滋养层干细胞/多能干细胞组合诱导类囊胚中的滋养层细胞，发现TPS-类囊胚结构中的滋养层细胞更类似于着床前囊胚中的小鼠滋养外胚层细胞。并且，不同于EPS细胞诱导的类囊胚结构，TPS-类囊胚结构中并不存在大量的中间态细胞及中胚层样细胞。将TPS来源的类囊胚结构植入体内后，可以诱导蜕膜化反应，但是仍无法像正常囊胚那样发育成个体，提示诱导类囊胚的方案仍需优化。最后，研究者分析了CPEC组合在TPS细胞中诱导和调控全能性的分子机制。他们发现抑制HDAC1/2和Dot1L的活性、以及特异激活RARγ通路，对TPS细胞的诱导和维持具有重要作用。有趣的是，当用CPEC组合的小分子联合处理小鼠二细胞胚胎时，他们发现这些小分子处理能在一定程度上帮助维持小鼠胚胎中的全能性分子标记的表达。这些结果表明HDAC1/2、Dot1L、RARγ通路的协同调控对于小鼠全能性调控的重要作用。综上所述，该研究利用化学调控的方法从小鼠二细胞胚胎中建立了新型的全能性干细胞，该细胞具有与二细胞胚胎相似的分子特征及双向发育潜能，能够形成与体内着床前囊胚更相似的类囊胚结构。这一工作不仅为体外研究全能性提供了更为合适和可靠的模型，而且朝着在不同哺乳动物物种中利用全能性胚胎捕捉、维持全能性干细胞的目标迈出了重要的一步。邓宏魁教授，李程研究员，徐君研究员是这一研究成果的共同通讯作者。北京大学徐亚星，赵晶薷，任奕璇，王旭阳和吕钰麟为该研究成果的第一作者。本工作获得了生命科学联合中心、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等支持。