利用干細(xì)胞造出

新型血管移植物

科技日報3月12日報道，在發(fā)表于最新一期《細(xì)胞報告醫(yī)學(xué)》的一項研究中，美國威斯康辛州國家靈長類動物研究中心與威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家，展示了一種“通用型生命管道”——利用干細(xì)胞來源的動脈內(nèi)皮細(xì)胞（AEC）開發(fā)出的新型小直徑血管移植物。這一成果對推進(jìn)生物工程研究和血管手術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步具有重要意義。

血管被稱為人體“生命管道”。當(dāng)前，合成血管移植物已被廣泛應(yīng)用于大血管修復(fù)，但對于小直徑血管，如用于冠狀動脈搭橋手術(shù)的血管，現(xiàn)有選擇非常有限。通常的方法是從患者身體其他部位取用血管，但這不僅侵入性強(qiáng)，還受限于可使用的血管數(shù)量及質(zhì)量，尤其是當(dāng)患者存在合并癥時。另一種方法是使用來自供體的血管，但這種方法容易引發(fā)免疫排斥反應(yīng)。

為了解決這些問題，科學(xué)家采用了一種由ePTFE材料制成的小型移植物，并通過多巴胺和玻連蛋白雙層涂層處理其表面，使干細(xì)胞衍生的AEC能夠附著在ePTFE移植物內(nèi)部。這些細(xì)胞具有自我更新能力，能分化成任何類型的人類細(xì)胞，從而提供了無限的細(xì)胞來源。

科學(xué)家將這種生物工程移植物植入恒河猴的股動脈中。恒河猴是常用于模擬人類生物學(xué)反應(yīng)的非人靈長類動物模型。研究比較了3種不同類型的移植物：裸露的ePTFE移植物、襯有表達(dá)相容性復(fù)合體（MHC）AEC的移植物及襯有缺乏MHC（雙重敲除）AEC的移植物。結(jié)果表明，含有野生型AEC的移植物表現(xiàn)出最佳的功能持久性，且在6個月內(nèi)未出現(xiàn)狹窄或血栓形成等失敗跡象。此外，移植物內(nèi)皮被宿主細(xì)胞重新填充，有助于保持長期穩(wěn)定。

該成果下一步或?qū)⑦M(jìn)行人體臨床試驗，而這種移植物可分化成任何人類細(xì)胞類型的特性，對人體血管搭橋手術(shù)非常重要。

（2025年3月12日 張夢然 科技日報）

首個量子網(wǎng)絡(luò)

操作系統(tǒng)創(chuàng)建

科技日報3月13日報道，由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、荷蘭量子技術(shù)研究所（QuTech）、奧地利因斯布魯克大學(xué)、法國國家信息與自動化研究所和法國國家科學(xué)研究中心組成的量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（QIA）的研究人員宣布了一項重大突破：他們開發(fā)了首個專門為量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的操作系統(tǒng)——QNodeOS。這項成果發(fā)表在最新《自然》雜志上，標(biāo)志著量子網(wǎng)絡(luò)從理論走向?qū)嵱玫闹匾徊健?/p>

QNodeOS的目標(biāo)是使量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加普及和易于訪問。它讓研究人員能在量子網(wǎng)絡(luò)上輕松編程和執(zhí)行應(yīng)用程序，并建立了一個框架，這為量子計算機(jī)研究開辟了新領(lǐng)域。就像傳統(tǒng)計算硬件上的軟件讓非專業(yè)人士也能輕松編程并推動各種應(yīng)用的發(fā)展一樣，QNodeOS通過消除網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件之間的障礙，使開發(fā)者在不同的硬件解決方案上創(chuàng)建應(yīng)用程序變得更容易。

QNodeOS的一個關(guān)鍵特性是其完全可編程性，這意味著應(yīng)用程序可以像在Windows或Android等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)上那樣，在較高的抽象級別上運(yùn)行。不同于以往需要針對每個實驗設(shè)置進(jìn)行特定編碼的系統(tǒng)，QNodeOS能夠支持在網(wǎng)絡(luò)中操作量子處理器，而不論使用的是何種硬件平臺。這種創(chuàng)新架構(gòu)讓開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用程序的邏輯實現(xiàn)，而非硬件細(xì)節(jié)，從而更容易開發(fā)出新型應(yīng)用程序。

此外，量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用通常需要在不同節(jié)點上獨(dú)立運(yùn)行的程序相互協(xié)調(diào)工作，例如手機(jī)客戶端和云端服務(wù)器之間的協(xié)作，這些都需要通過消息傳遞和量子糾纏來完成。QNodeOS成功解決了這一獨(dú)特挑戰(zhàn)，展示了其與多種類型的量子硬件兼容的能力，包括基于捕獲離子和鉆石色心的不同量子處理器。

QNodeOS的誕生不僅促進(jìn)了量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也為未來的互聯(lián)網(wǎng)變革鋪平了道路，有望徹底改變?nèi)藗儗ヂ?lián)網(wǎng)的理解和使用方式。

（2025年3月13日 張夢然 科技日報）

新型手性

有機(jī)半導(dǎo)體面世

科技日報3月16日報道，來自英國劍橋大學(xué)和荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，研制出一種新型手性有機(jī)半導(dǎo)體。這種半導(dǎo)體能讓電子以螺旋方式移動，極大提高有機(jī)發(fā)光二極管的性能，為電視、智能手機(jī)等帶來更好的顯示屏。此外，還有望推動自旋電子學(xué)和量子計算等下一代計算技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)論文發(fā)表于13日出版的《科學(xué)》雜志。

這種新型半導(dǎo)體能夠發(fā)射圓偏振光，這意味著光攜帶有關(guān)電子手性的信息。在自然界中，許多分子都擁有手性特征，即表現(xiàn)出類似左手和右手這樣宛如彼此鏡像的結(jié)構(gòu)。手性在DNA形成等生物過程中扮演重要角色，但在電子學(xué)領(lǐng)域卻很難駕馭和掌控。因為大多數(shù)無機(jī)半導(dǎo)體，如硅，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有對稱性。

研究團(tuán)隊從大自然中汲取靈感，巧妙運(yùn)用分子設(shè)計策略，讓半導(dǎo)體分子有序地堆疊成右旋或左旋螺旋結(jié)構(gòu)，從而制造出這種手性半導(dǎo)體。精心設(shè)計分子的結(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的手性與電子運(yùn)動的完美結(jié)合。

該半導(dǎo)體基于三氮雜釕（TAT）材料，這種材料能自組裝成螺旋堆疊形式，從而使電子能沿其結(jié)構(gòu)螺旋行進(jìn)。團(tuán)隊將其整合到圓偏振有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）內(nèi)，這些設(shè)備顯示出破紀(jì)錄的效率、亮度及偏振水平，性能遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。

手性半導(dǎo)體有望在顯示技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。當(dāng)前顯示器屏幕由于過濾光線的方式，存在大量能源浪費(fèi)，而這種手性半導(dǎo)體則能有效減少光損失，讓屏幕更加明亮且節(jié)能。除應(yīng)用于顯示器外，還將對量子計算和自旋電子學(xué)產(chǎn)生影響。自旋電子學(xué)致力于探索利用電子自旋或固有角動量來存儲和處理信息，這一領(lǐng)域有望帶來更快、更安全的計算系統(tǒng)。

（2025年3月16日 劉霞 科技日報）

首款太赫茲頻段

光電調(diào)制器面世

科技日報3月17日報道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，成功研制出首款能在太赫茲頻段工作的調(diào)制器。太赫茲技術(shù)是6G演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，這款微型設(shè)備有望促進(jìn)6G技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)研究論文發(fā)表于新一期《光學(xué)》雜志。

等離子體調(diào)制器是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的設(shè)備，此前最多只能轉(zhuǎn)換約200千MHz頻率的信號。盡管從技術(shù)層面而言，將太赫茲信號傳輸?shù)焦饫w上并非不可能，但這一過程不僅耗時，而且需要多個昂貴的組件協(xié)同工作。而新型調(diào)制器可直接轉(zhuǎn)換信號，降低能耗，其應(yīng)用范圍涵蓋10 MHz到1.14 THz。

新型調(diào)制器具有微型納米結(jié)構(gòu)，由金等各種材料精心打造而成。它巧妙利用光和金中自由電子之間的相互作用，實現(xiàn)了信號轉(zhuǎn)換。

研究團(tuán)隊表示，數(shù)據(jù)最初總是以電子形式存在，但目前信息的傳輸經(jīng)常要使用光纖。新型調(diào)制器能將無線電信號和其他電信號直接有效地轉(zhuǎn)換為光信號，有望成為電子世界和光傳輸之間的橋梁，用于需要傳輸大量數(shù)據(jù)的地方。

研究團(tuán)隊強(qiáng)調(diào)，這款調(diào)制器有望應(yīng)用于高性能計算中心內(nèi)部和之間的光纖數(shù)據(jù)傳輸，或在高性能測量領(lǐng)域大顯身手，這些領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)成像、材料分析光譜方法、機(jī)場安檢掃描儀或雷達(dá)技術(shù)等。

（2025年3月17日 劉霞 科技日報）

光子芯片放大器傳輸數(shù)據(jù)

帶寬提升3倍

科技日報3月18日報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院與IBM歐洲研究院聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊在新一期《自然》雜志發(fā)表論文稱，他們研制出一款基于光子芯片的行波參量放大器，通過緊湊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超帶寬信號放大。

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)依靠光信號傳輸海量數(shù)據(jù)。然而，這些光信號需要經(jīng)過放大，才能在長距離傳輸中不丟失信息。數(shù)十年來，摻鉺光纖放大器作為最常用的工具，在這方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它無需頻繁重新生成信號，就能將信號傳輸至更遠(yuǎn)的地點。然而，摻鉺光纖放大器的工作帶寬僅限于C波段（約35 nm），這限制了光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能力。

新研制的這款放大器采用了將磷化鎵沉積在二氧化硅上的技術(shù)。磷化鎵是一種具有優(yōu)異光學(xué)特性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料。大多數(shù)放大器依賴稀土元素來增強(qiáng)信號，而研究團(tuán)隊選擇磷化鎵是因為其出色的光學(xué)特性。首先，它表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光學(xué)非線性，使通過其中的光波能以增強(qiáng)信號強(qiáng)度的方式相互作用。其次，它的折射率高，可將光緊密限制在波導(dǎo)內(nèi)，顯著提高放大效率?；谶@些特性，研究團(tuán)隊僅使用幾厘米長的波導(dǎo)就實現(xiàn)了高增益，使放大器的體積大幅縮小，且所有功能都集成在一個緊湊的芯片級設(shè)備中。

實驗結(jié)果表明，這款芯片級放大器在約140 nm的帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了超過10 dB的凈增益，是傳統(tǒng)摻鉺光纖放大器帶寬的3倍。此外，該器件在保持較低噪聲的同時，增益可達(dá)35 dB，并能處理輸入功率范圍跨越6個數(shù)量級的信號。這些特性使該放大器在電信之外的各種應(yīng)用中具有高度適應(yīng)性，例如精密傳感。

此外，這款放大器還提升了光學(xué)頻率梳和相干通信信號的性能，這兩項技術(shù)是現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)和光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。

新型放大器對數(shù)據(jù)中心、人工智能處理器和高性能計算系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)影響，更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸使這些系統(tǒng)都能獲益。此外，它的應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到數(shù)據(jù)傳輸之外，包括光學(xué)傳感、計量學(xué)，甚至自動駕駛汽車中使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

（2025年3月18日 張佳欣 科技日報）

科學(xué)家觀察到DNA

開始解旋瞬間

科技日報3月20日報道，阿卜杜拉國王科技大學(xué)的一項開創(chuàng)性研究首次直接觀察到了DNA開始解旋的瞬間，揭示了使細(xì)胞能夠準(zhǔn)確復(fù)制其遺傳物質(zhì)的基本機(jī)制。這項研究使用冷凍電子顯微鏡和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，捕捉到解旋酶與DNA相互作用的精微細(xì)節(jié)，提供了迄今為止最詳盡的DNA解旋過程。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然》雜志上。

盡管科學(xué)家早已知道，解旋酶在DNA復(fù)制過程中起著關(guān)鍵作用，但對其如何與DNA和ATP（三磷酸腺苷）協(xié)同工作，驅(qū)動DNA解旋的具體機(jī)制一直不清楚。此次研究表明，解旋酶通過15個原子狀態(tài)，逐步解開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。這一過程不僅標(biāo)志著解旋酶研究的里程碑，也是在原子分辨率下觀察酶動態(tài)行為的重大突破。

DNA復(fù)制的第一步，是解旋酶將雙鏈DNA拆分為兩條單鏈，這一步驟對于后續(xù)復(fù)制至關(guān)重要。解旋酶作為“納米機(jī)器”，利用ATP作為能量來源，沿著DNA移動并解開雙螺旋。隨著ATP被消耗，解旋酶克服物理限制向前推進(jìn)，逐漸增加系統(tǒng)的熵（無序度），從而實現(xiàn)DNA的分離。

特別值得注意的是，解旋酶并非一次性完全解開DNA，而是通過一系列構(gòu)象變化逐步破壞和分離DNA鏈。這種機(jī)制類似于捕鼠器中的彈簧，每當(dāng)ATP被水解時，解旋酶就被推向前進(jìn)，拉開DNA鏈。研究還發(fā)現(xiàn)，兩個解旋酶可以在DNA上的不同位置同時工作，協(xié)調(diào)地在兩個方向上解開DNA，提高了能量效率。

這些發(fā)現(xiàn)不僅增進(jìn)了人們對生命基本科學(xué)問題的理解，也為開發(fā)新型納米技術(shù)提供了靈感?；诮庑冈O(shè)計的節(jié)能機(jī)械系統(tǒng)，可以模仿其高效能機(jī)制，用于執(zhí)行復(fù)雜的驅(qū)動任務(wù)。

（2025年3月20日 張夢然 科技日報）