康健新视野盘点:2017年度创新盘点Top10

来自斯坦福大学的ManuPrakash博士从这里获得了灵感,经过反复的测试和调整,一个纸片离心机诞生了。不要小看这个纸片离心机,它看似简陋,几经研发后,转速已经可以达到125000转/min,一分半钟的时间就可以让血液分层,足以和价值高昂的离心机相媲美。这款手动离心设备可以满足生物样本的处理需要,但是成本只有20美分。

科学,给我们的第一印象往往是很高大上的,而科学研究也常常的确是很“烧钱”,昂贵的设备,高标准的实验室,运转时每日的耗材都价值不菲。

但是在世界上很多真正特别需要科学帮助的地方,也许是没有高级的实验室,没有精密的分析仪器,甚至没有电。这款小小的纸片离心机,可以完全手动让血细胞分层,只需15分钟就可以分离出血液中的疟原虫。在极度不发达的地区,或者因为地震或者其他灾难而电力中断的地区,这款发明对于现场的医疗卫生工作都有着巨大的意义。

与4周前相比(左),同一只小羊在人造子宫中发育良好(右)

(图片来源:《Nature Communications》)

人造子宫是许多科幻小说中的经典题材,并在《黑客帝国》等电影中有所体现。本次研发成功的人造子宫在充满了科幻味道的外衣下,有着巨大的实际应用价值。在美国,每10名刚出生的婴儿中,就有一名是早产儿,即比预产期早出生3周以上。其中,越早出生,婴儿的健康风险就越高。在目前的医疗水平下,22到23周大的早产儿是医生救治的极限——他们的器官大多没有发育完全,因此往往只有不到一半能够最终存活。即便能活下来,维持他们生命的仪器也会给他们带来终身性的伤害。

来自费城儿童医院的一支团队开发出了人造子宫,并创纪录地让早产的小羊在人造子宫中生活了4周之久!更关键的是,这些小羊在“诞生”后,发育状况与正常出生的小羊并无区别。基于这项出色的发明,许多科学家相信在不久后的将来,这款人造子宫有望在人类身上得到应用。

休·赫尔(HughHerr)是一位优秀的攀岩家、工程师和生物物理学家,麻省理工学院机械工程学硕士,哈佛大学生物物理学博士。你也许听说过这个名字,也可能没有听过,但是,他是一个让人知道后就难以忘却的人。赫尔是一个攀岩的神童,是美国当时公认最好的攀岩者之一,直到17岁那年的一场意外。

那一次,赫尔在超过零下20度的低温和严酷的环境中,遭受了严重的冻伤。获救后的几个月里不间断的医学治疗,依然没能保住他的双腿。双腿截肢对于一个少年来说,是人生一个黑暗的时刻。

在很多人的认知里,我们倾向于将外部连接到身体的假肢,视为某种程度上的“异端”,因为,在我们眼里,这是一种残缺的补偿,并不是那么美好。

赫尔并不这么认为。他觉得一个真正的人是永远也不会残缺的。相反,这是技术的残缺,是技术不发达。我应该努力去提升科技,来消除我自身的残疾,也拯救别人的残疾。

“仿生”是赫尔定义的假肢应该前行的方向,而假肢也不应该仅仅是钢铁或者木头呆笨的形似。 “仿生”应该是一种功能化的系统,它能够计算、能够思考、能够自我调整、能够更强大而优越。

赫尔创立了一家名为BIOM的公司,推出了世界上第一套“仿生”脚和小腿的系统。这套系统拥有各种金属、线路和芯片组成。他们所设计的产品已经被1000名患者使用,包括400位美国受伤的军人。

还记得那个用苹果培养的耳朵吗?科学家发现苹果瓣长得很像耳朵,于是利用苹果的骨架培养了人类的耳朵。

研究再生医学的科学家们此前就已经发现,虽然动物和植物细胞有所不同,但是它们的纤维素骨架却是可以相通的,利用植物细胞的纤维素骨架来支撑动物细胞的生长,可以使得我们培养出可以用于替代的动物组织。

此前,已经有科学家利用苹果的纤维素骨架培养人类细胞,使得培养皿中可以长出人类的“耳朵。”现在,来自伍斯特理工学院生物医学工程的Glenn Gaudette教授和他的同事们发现了另外两个跨界神似的组织,那就是菠菜叶与心脏。

如今,科学家们再次脑洞大开,他们用菠菜叶子培养心脏,比苹果耳朵更大跌眼镜的是,这次居然直接带了“血管”!

图片来源:WorcesterPolytechnic Institute

蚊子是许多疾病传播的载体。在美国,导致寨卡病、登革热等,都是影响了许多普通老百姓的疾病。尽管科学家们已经研制出了行之有效的疫苗或药物,每年仍然有许多人会感染上这些由蚊子传播的疾病。

既然如此,为什么不把源头给切断呢?

Verily的科学家们说干就干。他们发现,一种叫做“沃尔巴克氏体”的细菌可能是他们的称手武器。这种细菌在许多昆虫中寄生,而在蚊子体内,这类细菌会导致雄性“不育”。也就是说,感染沃尔巴克氏体的雄蚊在与雌蚊交配后,无法顺利产生下一代。

像这样的雄蚊,Verily计划放生2000万只!想象一下,2000万名“被结扎”的光棍来到一座城市,会对当地的婚恋市场带来多少冲击?毫无疑问,这一策略能从源头减少蚊子的数量。

更棒的是,由于雄蚊不会叮咬人类,释放这些蚊子,并不会造成健康隐患。

这个想法听起来很有未来感,Verily的执行过程更有未来感。为了更有效地培育雄蚊,Verily干脆造了一台庞大的机器人,并利用先进的算法,自动对蚊子进行培育和释放。

图片来源:《科学》

旧金山湾地区的初创生物技术公司Zymergen的实验室,乍看之下普普通通——实验室的桌子上整齐的放着试管,架子上是各种化学药品。然而环顾四周,你会发现,这个实验室的工作人员似乎不太一样,他们身上发出一些机械运动以及风扇的声音。没错,在这个实验室里工作的全是机器人,这里是Zymergen公司的未来生物学实验室。

使用机器人进行实验操作,通过条形码来进行记录都已经获得了相当广泛的应用。而通过声波取液的技术,称之为声微滴喷射,甚至已经存在了数十年之久。那么这个实验室究竟“未来”在哪里呢?Zymergen的共同创始人Jed Dean博士会告诉你:“我不知道这些机器人在做什么实验。因为这些实验完全是由一个人工智能程序设计的。”

没错,尽管机器人在实验室中有了普遍的应用,但是,从提出假说、设计实验、到分析数据,这些还都是人类科学家的工作。对于Zymergen来说,他们的目标就是完全取代人类科学家们的作用,由人工智能程序完成这些工作。最近一段时间以来在机器学习方面的发展,使得机器人有望完全胜任这些工作。

帕金森氏症(Parkinson's disease,简称PD)是一种慢性中枢神经系统退化疾病,主要影响运动神经系统。它的症状通常随时间缓慢出现,早期最明显的症状为颤抖、肢体僵硬、运动功能减退和步态异常,也可发展成为认知和行为障碍,最终可能导致患者痴呆。此外,还会伴有睡眠、情绪等问题,抑郁症和焦虑症也相当的常见。

诊断测试所需的设备是笔、纸和数字绘图板。

图片来源:皇家墨尔本理工大学

“帕金森氏症的许多治疗方案只有在疾病早期被诊断出来时才有效,”来自皇家墨尔本理工(RMIT)大学工程学院的作者Dinesh Kumar教授说。

“我们知道,当人们开始发生震颤或僵硬时,可能已经太晚了。”

那么,能够在早期诊断帕金森对于疾病的治疗和控制来说,是非常有必要的。

由RMIT大学的研究人员开发出来一种新的诊断工具,可以在症状出现之前检测出帕金森氏症。它的准确率高达93%。文章发表在《神经病学前沿》(《Frontiers in Neurology》)杂志上。

图片来源:MIT technology review

今年早些时候,血管外科医生 John Martin测试了一款由ButterflyNetwork开发的口袋大小的超声波设备。那时,他的喉咙有一种不舒服的感觉。于是,他拿出一些凝胶,在他的脖子上,用电动剃须刀的大小和形状的探针来进行扫描。

他的智能手机与设备连接在一起。屏幕上,黑色和灰色的图像很快就出现了。Martin不是癌症专家,但他知道,他看到的那个黑暗的三厘米本不应该属于那里的物体。“这已经足够让医生知道,我有麻烦了”,他说,这是鳞状细胞癌。

他使用的这款名为“Butterfly IQ”的设备是美国第一个通过向人体发出超声波并捕捉回声的超声波系统的固态超声设备。通常,声波是由振动晶体产生的,但Butterfly IQ 却使用了9000个微型的鼓,蚀刻在半导体芯片上。

Martin博士通过他的Butterfly IQ所发现的阴影,最终被证明是癌症。

缝合是手术后伤口闭合的常规方法,但是专业的缝合需要一定的外科技术并且会造成患者的痛苦。MicroMend皮肤闭合装置(microMend Skin ClosureDevice)是由位于西雅图的KitoTechMedical生产的,这款装置为伤口愈合提供了一个有潜力的更好的变革。

这款microMend的设计概念与创可贴有几分相似之处,它很薄,两端各有两个“微钉”阵列结构。它可以横跨伤口的两侧,这样微钉就可以插入到皮肤内,将伤口闭合。(如图中所示)

图片来源:microMend官网

这款设备足够柔软,可以很好的贴合患者的身体运动,并且它有足够的强度,可以与缝合相媲美。这种微钉据说是无痛的,并且可以持续使用到患者的伤口愈合。

研究人员开发了一种新型的水凝胶,可以在眼部损伤的患者到达医院之前使用。

图片来源:Science Translational Medicine

眼睛是身体一个非常脆弱的部位,而意外所导致的眼睛损伤,在很多情况下很难得到立刻专业的修复。如何快速有效地封闭眼球的损伤,对于挽救伤者的视力来说,具有重要的意义。也许此时,医院还在很远的地方,医护人员的救助就是在与时间赛跑。

来自南加州大学(USC)的科学家们开发了一种凝胶,可以快速的封闭眼睛的损伤,帮助解决这一难题,为患者后续的治疗和恢复,争取有效的时间。研究结果发表在12月6日的《Science Translational Medicine》上。来自跨学科的团队共同参与了这一研发过程。他们开发了一种可逆的、温度敏感的凝胶,可以对眼部损伤进行临时的封闭。当这种凝胶应用于眼部时,会从液体变化成为超强的半固体。当患者准备好进行手术时,医生可以通过加入冷水来使得封闭移除。

参考资料:

[1]50 Cent Paper Microscope

[2]Inspired by a whirligig toy,Stanford bioengineers develop a 20-cent, hand-powered blood centrifuge

[3]Foldscope: Microscopy foreveryone

[4]National Geographic: “EmergingExplorer” Manu Prakash helping “lead a new age of discovery”

[5]Inspired by a music box,Stanford bioengineer creates $5 chemistry set

[6]Artificial womb sustainspremature baby lambs for weeks

[7]Fluid-filled ‘biobag’ allowspremature lambs to develop outside the womb

[8]Animals Set Survival RecordInside Artificial Womb

[9]An extra-uterine system tophysiologically support the extreme premature lamb

[10]The New Bionic Man: How HughHerr Is Changing Lives

[11]Hugh Herr On The Future OfBionics

[12]Is This theFuture of RoboticLegs?

[13]维基百科

[14]Human heart cells grown onspinachleaves in Worcester Polytechnic Institute lab

[15]WPI Team Grows Heart Tissue onSpinachLeaves

[16]Verily Robot Will Raise 20 MillionSterile Mosquitoes for Release in California

[17]中山大学建成世界最大“蚊子工厂”

[18]A new breed of scientist, withbrains of silicon

[19]Zymergen官方网站

[20]New Diagnostic Tool DetectsParkinson’sbefore Physical Symptoms Appear

[21]Distinguishing Different StagesofParkinson’s Disease Using Composite Index of Speed and Pen-PressureofSketching a Spiral

[22]This Doctor Diagnosed His OwnCancerwith an iPhone Ultrasound

[23]microMend, a Novel andTime-SavingWound Closure Device

[24]microMend官网

[25]A new portable gel that couldsave aninjured eye

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