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力学生物学研究热点与新兴趋势

四川大学学报（医学版） 2024年第1期55卷 1-5页

作者：赵川榕王湘秀王贵学重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室血管植入物开发国家地方联合工程实验室重庆400045 金凤实验室重庆401329

力学生物学主要探讨细胞如何感知不同的机械力学刺激、细胞内力学传导过程以及力学信号如何决定细胞的行为及命运等一系列重要的生理病理过程。从胚胎发生的最初阶段,到发育生物学和再生医学,乃至整个生命过程,力学生物学中力学信号级... 详细信息

力学生物学主要探讨细胞如何感知不同的机械力学刺激、细胞内力学传导过程以及力学信号如何决定细胞的行为及命运等一系列重要的生理病理过程。从胚胎发生的最初阶段,到发育生物学和再生医学,乃至整个生命过程,力学生物学中力学信号级联反应和细胞力学响应在生物医学研究中具有重要意义。近年来,力学生物学领域的研究蓬勃发展,全球多个科学联合体从不同角度解析力学生物学过程,以期深入了解力学因素影响细胞命运决定的调控机制。本文对力学生物学领域近期研究热点(包括动脉血管、干细胞和离子通道等)进行了概括和评述,对潜在的新兴趋势(如核变形、纤维细胞外基质、肿瘤力学生物学、细胞力转导和压电型机械敏感离子通道等)进行了展望和探讨,同时对该领域中机制研究的局限性和大数据分析挖掘的重要性提出了新的见解,为把握力学生物学领域热点和探索新的研究方向提供客观支撑和系统框架。

关键词：力学生物学动脉离子通道力传导 YAP信号蛋白综述

应力松弛丝素凝胶支架基于力学传导和骨免疫调节促进骨再生的作用与机制研究

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医用生物力学 2024年第S1期 557-558页

作者：董立立李林昊杨力黄伟重庆医科大学附属第一医院骨科重庆大学生物流变科学与技术教育部重点实验室北京航空航天大学生物与医学工程学院

目的天然骨ECM与骨再生微环境在力学上呈现黏弹性,且具有较快应力松弛。而黏弹性在体内外调节细胞应答与骨再生的机制尚不清楚。本课题通过构建应力松弛可控的SF冷冻凝胶,旨在探究应力松弛通过调控骨免疫微环境促进骨再生的作用及其调...

目的天然骨ECM与骨再生微环境在力学上呈现黏弹性,且具有较快应力松弛。而黏弹性在体内外调节细胞应答与骨再生的机制尚不清楚。本课题通过构建应力松弛可控的SF冷冻凝胶,旨在探究应力松弛通过调控骨免疫微环境促进骨再生的作用及其调节巨噬细胞极化与免疫应答的力生物学机制。方法利用冷冻相变法构建黏弹性可调的SF冷冻凝胶,以模拟骨再生力学微环境;通过构建大鼠股骨髁缺损模型,考察应力松弛SF凝胶的促骨再生效应;体内sc RNA-seq并结合细胞/分子生物学技术揭示应力松弛效应促进骨再生的机制及介导巨噬细胞极化的力转导机制。结果通过冷冻相变法可成功构建黏弹性可控的大孔径丝素冷冻凝胶,在骨缺损修复中证实快速应力松弛SF凝胶显著促进骨再生。体内sc RNA-seq结果表明,相比于纯弹性与慢松弛SF凝胶,快松弛凝胶在骨修复前期(10 d左右)诱导了更高比例的Mrc1+/CD163+的促再生型巨噬细胞。体外实验进一步证实,应力松弛通过Piezo1-YAP途径调节组蛋白乙酰化修饰,进而调控巨噬细胞促再生型极化。结论骨修复材料的黏弹性与应力松弛效应对骨再生至关重要。其可通过调节巨噬细胞介导的免疫微环境促进骨再生。尤为重要的是,巨噬细胞膜上的力感应蛋白Piezo1通过感知凝胶应力松弛,促进下游YAP激活与核转位,进而调节组蛋白乙酰化修饰,最终向再生型极化以参与骨再生。

关键词：

微流控离子浓差极化芯片研制及其生化检测中的应用

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生物化学与生物物理进展 2024年第7期51卷 1618-1631页

作者：贺志恒王小丽葛闯徐溢重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室&光电技术与系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学光电工程学院重庆400044 重庆邮电大学生命健康信息科学与工程学院重庆400065 重庆大学肿瘤医院肿瘤转移转化与个体化治疗重点实验室重庆400030

离子浓差极化(ion concentration polarization,ICP)现象是在外加电场作用下发生在微纳交界面处的一种电富集现象,将ICP现象与微流控分析技术相结合,可广泛应用于生化分析中带电粒子预富集、目标物分离、靶标物检测等领域。本文首先对IC... 详细信息

离子浓差极化(ion concentration polarization,ICP)现象是在外加电场作用下发生在微纳交界面处的一种电富集现象,将ICP现象与微流控分析技术相结合,可广泛应用于生化分析中带电粒子预富集、目标物分离、靶标物检测等领域。本文首先对ICP原理及微流控ICP芯片进行了简要介绍,梳理总结了ICP芯片的制备技术和方法,其中重点关注了微流道结构设计、纳米结构制备与设计等方面的研究现状与进展。首先对基础单通道ICP芯片的结构进行分析,进而对并行通道ICP芯片结构以及集成多功能的微流控ICP芯片进行了总结和讨论,列举了ICP芯片中纳米结构的制备方法及其优缺点。进而,讨论了优化ICP芯片的富集效能途径,可通过引入多场耦合、阀门控制等多种手段,实现对靶标物的富集效能优化。最后,针对ICP芯片在多种带电生化样本分析检测中的应用进行综述,指出ICP芯片在匹配检测目标生物特性方面面临挑战,需要提高富集效率和选择性,解决流体控制、混合及传输问题。可以看到,微流控ICP芯片具有处理样本流量低、分离富集效果好、检测效率高以及易于集成化和小型化等优势,在生化检测领域展示出很好的研究意义和实用前景。

关键词：离子浓差极化微纳结构微流控芯片分离富集生化检测

微生物矿化反应原理、沉积与破坏机制及理论:研究进展与挑战

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岩土工程学报 2024年第7期46卷 1347-1358页

作者：刘汉龙赵常肖杨重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到... 详细信息

微生物矿化作为地质演变及碳氮循环不可或缺的一环,给岩土、水利及环境等领域带来了新的机遇和挑战,其衍生而来的以MICP为代表的微生物岩土技术已成为环境岩土工程最具革新性的技术领域之一。近20年来,微生物岩土技术从概念验证阶段到相关领域技术示范已取得了重要进展。为推进对该领域更加深入的基础认识与研究,本文系统回顾了MICP技术并针对以下3部分进行了重点阐述:脲酶菌成矿作用的生物化学原理、微生物加固土的沉积模式及加固体破坏机理、涉及生物-化学-水力-力学等多物理场耦合作用下的微生物矿化反应理论。此外,还总结了微生物岩土技术目前亟待解决的问题与挑战,对潜在的研究热点与应用前景进行了探讨和展望。

关键词：微生物矿化成核结晶沉积模式胶结破坏多物理场耦合

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壁载纤维素酶微反应器内传递及转化特性

工程热物理学报 2024年第3期45卷 785-791页

作者：林凯夏奡黄云朱贤青朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学工程热物理研究所重庆400030

壁载纤维素酶微反应器能够实现纤维素类生物质水解制备葡萄糖,为后续微生物能源转化提供原料。本文对壁载纤维素酶微反应器内羧甲基纤维素模型化合物的酶解糖化进行了实验与模拟研究,获得了内表面结构对微反应器物质传递及酶解反应的影... 详细信息

壁载纤维素酶微反应器能够实现纤维素类生物质水解制备葡萄糖,为后续微生物能源转化提供原料。本文对壁载纤维素酶微反应器内羧甲基纤维素模型化合物的酶解糖化进行了实验与模拟研究,获得了内表面结构对微反应器物质传递及酶解反应的影响规律。模拟结果表明,相较于等边三角形、半圆形等内表面结构,设置高矩形结构对微反应器内葡萄糖生产的促进显著。此外,具有高矩形结构的微反应器单位压降下的出口葡萄糖浓度最高,有利于实际应用。相较于增加表面结构尺寸,减小结构间距具有更好的强化效果。在最适表面结构参数下,对于不同黏度的酶解反应,出口平均葡萄糖浓度的提升率均高于7.0%。

关键词：微反应器物质传递壁载酶催化表面结构数值模拟

基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 329-337页

作者：夏奡任柯欣张敬苗黄云朱贤青朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学工程热物理研究所重庆400044

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。... 详细信息

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30~140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47μmol/(m^(2)·s),平均光强达64μmol/(m^(2)·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养7 d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L,微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。

关键词：固碳微藻光生物反应器光纤导光减排

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温度对厨余垃圾厌氧消化系统启动及性能的影响

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环境科学学报 2024年第7期44卷 281-292页

作者：唐周利李蕾叶文杰韩林沛袁荣焕王小铭彭绪亚重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400045

为揭示温度对厨余垃圾厌氧消化系统启动、产气性能及耐氨性能的影响,开展了不同温度下的连续两批次实验.结果表明,高温条件下(53℃)反应器启动快、累积甲烷产率(CMY)高,但4500 mg·L^(-1)的氨胁迫会抑制其产甲烷菌丰度,导致CMY和最大产... 详细信息

为揭示温度对厨余垃圾厌氧消化系统启动、产气性能及耐氨性能的影响,开展了不同温度下的连续两批次实验.结果表明,高温条件下(53℃)反应器启动快、累积甲烷产率(CMY)高,但4500 mg·L^(-1)的氨胁迫会抑制其产甲烷菌丰度,导致CMY和最大产气速率(Rmax)分别下降了5.71%和47.79%.48℃和45℃的过渡温度区间,启动稍慢,第2批次中的CMY与高温组没有显著差异(p=0.579~0.805),且与高温组具有高群落相似度,产甲烷菌和产氢产乙酸菌在相同浓度氨胁迫下的耐受性强于高温组.中温组(37℃)耐氨性最强,微生物多样性高,但CMY及Rmax分别显著低于其余温度组40.30%~42.88%和72.88%~93.70%(p=0~0.031).在42℃下运行的反应器启动缓慢,酸积累严重(8346.12~10418.78mg·L^(-1)),而且无法成功产气.在48℃和45℃下长期驯化有望获得和高温厌氧消化类似的消化效率.

关键词：厌氧消化厨余垃圾微生物群落温度

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生态流量泄放对小水电坝下河段底栖动物群落的影响

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生态学报 2024年第15期44卷 6457-6472页

作者：王领贺王松毅冉艳王强西南大学生命科学学院淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室、水产科学重庆市市级重点实验室重庆400715

泄放生态流量是修复小水电坝下减水河段生态系统的重要手段。大型底栖动物对环境变化敏感,是水生生态系统修复效果的重要指示生物类群。2021年,在重庆市巴南区一品河、五布河上共选择8座典型小水电,调查减水河段前端浅滩(评估点)的流量... 详细信息

泄放生态流量是修复小水电坝下减水河段生态系统的重要手段。大型底栖动物对环境变化敏感,是水生生态系统修复效果的重要指示生物类群。2021年,在重庆市巴南区一品河、五布河上共选择8座典型小水电,调查减水河段前端浅滩(评估点)的流量、河流生境、水质、底栖动物,并与近自然河段浅滩(参照点)对比,以评价生态流量泄放后减水河段的生态修复效果,探究影响底栖动物群落恢复的生态机制。结果显示:只有1座小水电的泄放量完全达到设计值。未达标泄放量的达成度平均值为41.0%。评估点河道湿润率平均值为47.6%。评估点和参照点的水质并无明显差异。底栖动物密度、大多数评估点的水生昆虫生物量和丰富度指数均显著低于参照点,平均值分别为参照点的25.8%、24.5%、43.2%。Shannon-Wiener多样性指数、Pielou指数与参照点无显著差异。评估点底栖动物以EPT昆虫(蜉蝣目、襀翅目、毛翅目昆虫)为优势,功能摄食类群以收集者和刮食者为优势,与参照点一致,但评估点各功能摄食类群密度普遍显著低于参照点。评估点底栖动物密度、丰富度、EPT昆虫密度与河道湿润率呈显著线性正相关。研究表明:泄放生态流量后,小水电近坝浅滩生境水质、底栖动物群落多样性、群落结构、功能摄食类群等与参照点无显著差异。底栖动物密度、水生昆虫生物量和丰富度、EPT昆虫密度等指标的恢复效果并不显著。减水河段的生态修复效果整体尚未达到预期。泄放量不足是阻碍底栖动物群落恢复的重要原因。

关键词：引水式小水电水坝河流修复减水生物多样性

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模拟微重力效应通过Piezo1和YAP诱导间充质干细胞线粒体功能障碍并导致其衰老

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医用生物力学 2024年第S1期 448-448页

作者：黄蕾吕文君黄睿宋关斌罗庆生物流变科学与技术教育部重点实验室重庆大学生物工程学院

目的研究模拟微重力效应(simulated microgravity, SMG)对骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)衰老的影响及相关力信号转导机理。方法通过扁平腔式旋转培养系统模拟微重力效应,采用SA-β-gal阳性细胞率和衰老标志蛋...

目的研究模拟微重力效应(simulated microgravity, SMG)对骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)衰老的影响及相关力信号转导机理。方法通过扁平腔式旋转培养系统模拟微重力效应,采用SA-β-gal阳性细胞率和衰老标志蛋白p53和p16表达量评价细胞衰老情况。通过细胞及线粒体ROS、线粒体膜电位和ATP产量评价线粒体功能。Western blot和免疫荧光考察YAP表达和亚细胞定位。通过Piezo1表达和胞内钙离子浓度评价Piezo1离子通道的激活情况。结果SMG提高了BMSCs中SA-β-gal阳性细胞率和衰老标志蛋白p53和p16表达量,提示SMG诱导BMSCs衰老。SMG增高了BMSCs中ROS和线粒体ROS含量,降低了线粒体膜电位和ATP产量,通过Mito-TEMPO(MT)处理恢复了线粒体功能并回救SMG诱导的细胞衰老,提示SMG通过导致线粒体功能障碍诱导BMSCs衰老。进一步研究发现,SMG促进Piezo1表达及YAP表达和核定位,通过Verteporfin(VP)抑制YAP表达或Gs MTx4抑制Piezo1离子通道活性均能回救SMG诱导的线粒体功能障碍和细胞衰老,提示Piezo1和YAP介导了SMG诱导的BMSCs线粒体功能障碍和细胞衰老。结论模拟微重力效应通过Piezo1和YAP诱导BMSCs线粒体功能障碍并导致其衰老。

关键词：