An osteoarthritis pathophysiological continuum revealed by molecular biomarkers
分子生物标志物揭示的骨关节炎病理生理过程演变规律
SCIENCE ADVANCES 2024
我们旨在识别一组200名女性中，在出现X线异常之前预测膝骨关节炎（OA）的血清生物标志物。仅有6种血清肽（对应6种蛋白质）在8年内能够达到77%的AUC，区分出发展为OA者与年龄匹配但未发展为OA者。基于这些血液生物标志物的预测效果优于传统依据年龄和BMI（AUC 51%）或膝部疼痛（AUC 57%）进行的预测。这些结果表明，在X线OA异常出现前，关节组织已存在持续的分子紊乱，这与未完全消退的急性期反应一致。在所有24种预测膝骨关节炎发病的蛋白质生物标志物中，大多数（58%）也能够预测膝骨关节炎的进展，揭示了在发病OA与既往OA的分子病理生理机制上存在显著相似性，从而存在一种病理生理学上的"OA连续谱"。
Magnetically actuated multimaterial fiberbot for precise minimally invasive knee laser surgery
用于精确、微创的膝关节激光手术的磁驱动多材料纤维机器人
SCIENCE ADVANCES 2025
传统的手术方法，如开放式手术和关节镜辅助手术，在处理患者膝关节疾病时，仍然存在工具灵活性不足的问题。机器人技术的应用提升了多种手术的精确度和效率。不过，目前仍缺乏能够灵活切除膝关节病变部位的微创手术工具。在这里，我们介绍了一种新型的柔性手术机器人，它集成了可控的中红外激光消融功能与精确的导航系统。该机器人内部具有用于传输中红外激光的多芯结构，外部则采用磁性弹性材料，从而能够在磁场的作用下实现精确控制。实验表明，该机器人能够在受限的球形空间以及猪的膝关节模型中实现精确的导航和操控。此外，该机器人还在活体大鼠的腿部骨骼上成功实现了可控激光消融操作。凭借其紧凑的设计、更安全的操作方式以及更快的响应速度，我们的光纤机器人有望为未来的膝关节手术开辟新的前景。
A phase 1 clinical trial shows safe, sustained, AAV-mediated expression of IL-1Ra in the human osteoarthritic knee joint
一项一期临床试验表明，AAV 载体能够在人类骨关节炎膝关节中实现安全、持续的 IL-1Ra 表达
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 2025
骨关节炎是一种全球性的重大健康问题，目前尚无能够改变疾病进程的有效治疗方法。白细胞介素-1 是一种与骨关节炎的病理生理过程密切相关的细胞因子，而白细胞介素-1 受体拮抗剂则可以抑制该细胞因子的作用。在这项研究中，我们进行了一项 1 期、开放标签的临床试验，将编码人类白细胞介素-1 受体拮抗剂的基因导入膝关节。共有 9 名患有骨关节炎的患者参与了这项研究。白细胞介素-1 受体拮抗剂基因是通过自我互补型重组腺相关病毒 2.5 型载体进行传递的。该病毒通过关节内注射的方式被引入膝关节，注射剂量分为三种：低剂量1×10\^11 个病毒基因组、中等剂量1×10\^12 个病毒基因组和高剂量1×10\^13 个病毒基因组。本研究的主要评估指标是安全性。没有与自我互补型重组腺相关病毒 2.5 型载体相关的严重不良事件。不过，有 2 例可能与该载体相关的不良事件发生，均为关节积液并伴有疼痛加剧的情况，但这些症状均通过保守治疗得到了缓解。sc-rAAV2.5IL-1Ra 并未引起生命体征、身体检查结果或临床实验室指标的任何变化。在注射后 1 天，循环系统中检测到的 sc-rAAV2.5IL-1Ra 含量不到 1%，且在一周内被完全清除。血清和滑液中的针对 AAV2.5 的中和抗体水平有所上升。在所有病例中，滑液中的 IL-1Ra 浓度均有所增加，且这一水平在 1 年后仍然保持较高水平。研究期间，患者的疼痛程度和功能状况都有所改善。因此，我们认为，使用 sc-rAAV2.5IL-1Ra 进行关节内基因治疗是安全的。人体膝关节中 IL-1Ra 水平的持续升高表明，该疗法有望在骨关节炎的治疗中发挥积极作用，值得进一步临床研究。
A versatile knee exoskeleton mitigates quadriceps fatigue in lifting, lowering, and carrying tasks
这种多功能外骨骼装置有助于减轻在抬举、放下和搬运物品时的股四头肌疲劳
SCIENCE ROBOTICS 2024
在反复的抬举、放下和搬运等动作中，股四头肌特别容易疲劳。这会影响到工人的工作效率和姿势，进而增加下背部的受伤风险。虽然已经开发出了适用于这些任务的机器人外骨骼装置，但其控制器缺乏足够的灵活性和可定制性，无法有效针对各种疲劳性任务中的关键肌肉进行调节。在这里，我们提出了一种能够根据任务需求自动调整虚拟弹簧、减震器以及重力与惯性补偿参数的膝关节外骨骼控制器。该控制器由那些参数可解释、易于优化的组件构成，因此非常适合通过数据驱动的方式来进行优化，从而实现更好的辅助效果。例如，可以在不同地形条件下，最大限度地提升股四头肌的辅助效果。当该辅助系统被应用于可反向驱动的膝关节外骨骼上时，无需针对不同用户进行额外校准，它就能有效减轻 10 名受试者在各种地形条件下的股四头肌负担（除了在平地行走时）。该外骨骼还显著提升了受试者在重复性抬举动作中的表现，减少了疲劳带来的负面影响。最后，该系统有助于实现任务的平滑过渡，且在疲劳后的多地形测试中表现出极高的效率。这些结果表明，这一多功能控制框架能够有效作用于多种任务中的关键肌肉群，从而有效缓解股四头肌的疲劳及其带来的不良影响。
Wireless knee joint monitoring using biodegradable single-ended pressure sensor in osteoarthritis management
在骨关节炎治疗中，利用可生物降解的单端压力传感器进行无线膝关节监测
SCIENCE ADVANCES 2026
膝关节所承受的负荷会调节软骨的再生与退化过程，从而影响伤口的愈合以及骨关节炎的进展。虽然确定合适的负荷范围非常重要，但由于现有的不可生物降解的传感器需要通过手术来取出，而计算模型也只能提供间接的估算结果，因此进行体内测量仍然具有挑战性。在这里，我们介绍了一种完全可生物降解、可植入的压电压力传感器。该传感器由生物相容性材料制成，采用单端结构设计，仅包含一个电极。这种结构在超过 2 个月的时间内都能保持稳定的性能。据我们所知，这是目前可生物降解压力传感器中报道的最长的使用寿命之一。体外实验模拟了体内环境，结果表明该传感器能够准确监测颅内压力和膝关节的运动情况。在兔模型中的体内植入实验表明，该技术不仅具有出色的生物相容性，还能有效监测动物在自然活动过程中的关节负荷情况。该平台有助于确定最佳的关节负荷条件，从而为骨关节炎的治疗提供基于反馈的个性化康复方案。
Adipose-derived leptin and complement factor D mediate osteoarthritis severity and pain
脂肪来源的瘦素和补体因子 D 会影响骨关节炎的严重程度和疼痛感
SCIENCE ADVANCES 2025
肥胖是骨关节炎的诱发因素之一，而瘦素则是与肥胖引发的骨关节炎相关的脂肪因子之一。不过，瘦素在骨关节炎的严重程度和疼痛感受中所起的具体作用尚不清楚。通过使用脂肪代谢异常的小鼠模型，我们发现，脂肪分泌的某些因子对于骨关节炎的发展至关重要，这说明脂肪与软骨之间存在某种相互作用。在脂肪代谢异常的小鼠中，重新引入脂肪组织或补充瘦素后，骨关节炎的症状和疼痛感再次出现；而植入缺乏瘦素的脂肪组织则不会影响骨关节炎的发病风险。同源共生实验和空间转录组学分析表明，脂肪与关节之间的相互作用很可能是通过可溶性介质来实现的。通过对从脂肪组织中提取的细胞因子进行多组学分析，我们发现瘦素能够调节腺脂蛋白（或补体因子 D）的活性，而该蛋白的活性又会影响骨关节炎的病理表现和疼痛程度。这些研究结果表明，脂联素会影响骨关节炎的发病机制。这为脂肪与关节之间的相互作用提供了确凿的证据，同时也表明骨关节炎是一种与脂肪组织相关的系统性疾病。
Clinical relevance of engineered cartilage maturation in a randomized multicenter trial for articular cartilage repair
在一项关于关节软骨修复的随机多中心试验中，人工软骨的成熟过程具有怎样的临床意义
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 2025
软骨损伤无法自行愈合，且容易引发骨关节炎。在临床前研究中，利用自体软骨细胞制成的功能性软骨组织，比传统的细胞疗法具有更明显的疗效优势。本研究旨在探讨：通过体外成熟处理来制备用于软骨修复的移植材料，是否能够提升治疗效果。我们使用自体鼻软骨细胞，比较了将体外成熟后的鼻软骨细胞制成的软骨移植到软骨损伤部位，与使用未分化的鼻软骨细胞制成的移植材料相比，哪种方法的临床效果更好。这项前瞻性、随机、平行、开放标签的 2 期试（ClinicalTrials.gov, NCT02673905）在四个国家的五家医院中招募了 108 名患者。这些患者的年龄在 30 到 46 岁之间，均患有全层膝关节软骨损伤，损伤面积在 2.7 到 6.0 平方厘米之间。所有患者都被随机分配到不同的治疗组。-TEC 或 N-CAM。该研究的主要评估指标是 24 个月时的膝关节骨性关节炎总体评分（KOOS）。与 N-CAM 相比，N-TEC 在培养时间上更长。从表型、结构和功能上看，N-TEC 更接近透明软骨。与术前相比，两组的 KOOS 评分都有所上升。24 个月时，N-TEC 的 KOOS 评分更高85；四分位数范围：74 至 91，而 N-CAM 的评分则为 7965 至 85。对于那些软骨缺损较大或需要再次手术的患者来说，N-TEC 的效果优于 N-CAM。从影像学角度来看，N-TEC 所形成的修复组织及周围软骨的质量更好，不过两者在结构方面的评分相当。这项研究证实了基于 NC 的移植材料在修复关节软骨方面的临床有效性，同时也证明了即便对于那些软骨缺损较为严重的患者，人工合成成熟组织也具有临床应用价值。
The Omnia bionic leg with a semipowered knee and ankle wins the Cybathlon 2024 leg prosthesis race
拥有半主动式膝关节和踝关节的 Omnia 仿生腿在 2024 年赛博马拉松的假肢比赛中获胜。
SCIENCE ROBOTICS 2025
Rehab Tech 公司的 Omnia 假肢在赛博马拉松比赛中表现出色，充分体现了先进的下肢假肢技术以及以用户需求为导向的创新理念。
Single-cell atlas of human infrapatellar fat pad and synovium implicates APOE signaling in osteoarthritis pathology
人类髌下脂肪垫和滑膜的单细胞分析表明，APOE 信号通路在骨关节炎的发病机制中起着重要作用
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 2024
髌下脂肪垫和滑膜在维持膝关节的稳态以及骨关节炎的发病过程中起着至关重要的作用。在健康和疾病状态下，调控这些特殊组织功能的细胞和转录机制尚不完全清楚。本研究通过对人类髌下脂肪垫和滑膜组织进行单细胞及单核 RNA 测序，分析了其细胞组成和转录特征。计算分析表明，二肽基肽酶 4(+)阳性间充质细胞可作为髌下脂肪垫中的脂肪细胞和滑膜层中的成纤维细胞的共同前体细胞，这说明髌下脂肪垫和滑膜实际上是一个有机的整体。骨关节炎会引发间充质细胞向纤维化方向分化，其中，带有大糖蛋白阳性的中间成纤维细胞是导致骨关节炎纤维化的主要细胞类型。载脂蛋白 E(APOE)信号通路在中间成纤维细胞的活动中也起着重要作用。研究发现，APOE 以及巨噬细胞是影响软骨健康的关键调控因素。将人类软骨与可溶性的 APOE 一起培养后，蛋白聚糖的降解速度会加快。通过向关节内注射抗 APOE 中和抗体来抑制 APOE 的信号传导，可以减轻小鼠中由胶原酶引起的骨关节炎症状，这表明 APOE 对软骨有负面影响。我们的研究通过描述健康关节与骨关节炎关节中软骨细胞和转录机制的差异，为设计针对骨关节炎的进一步治疗策略提供了理论基础。
Chondrocyte membrane-coated nanoparticles promote drug retention and halt cartilage damage in rat and canine osteoarthritis
被软骨细胞膜包裹的纳米颗粒有助于药物在体内的滞留，从而有效阻止大鼠和犬类患骨关节炎时软骨的损伤
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 2024
骨关节炎（OA）是一种以关节软骨逐渐退化为特征的慢性关节疾病。在开发抗病药物时，向软骨细胞有效递送药物是一个重要挑战。关节独特的结构可促进药物通过滑液快速清除，而致密且无血管的软骨细胞外基质（ECM）则限制了药物的渗透。本研究显示，与未包覆的纳米颗粒相比，聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）包覆于软骨细胞膜上的纳米颗粒（CM-NPs）在体外实验中被大鼠软骨细胞优先摄取。CM-NPs的内化主要通过E-钙黏蛋白介导的内吞作用、囊泡受体介导的内吞以及微胞饮作用实现。这些CM-NPs在体内可附着于大鼠膝关节的软骨ECM，并深入软骨基质，滞留时间超过34天。模拟滑液清除实验表明，负载Wnt通路抑制剂阿达维定（CM-NPs-Ada）的CM-NPs可延缓炎症条件下大鼠和人软骨细胞及软骨组织的降解代谢过程。在大鼠骨关节炎（OA）的手术模型中，载药CM-NPs有效恢复了步态，减轻了关节周围骨重塑，并对软骨退变提供了保护作用。在犬前交叉韧带断裂模型中，CM-NPs-Ada也缓解了OA的进展。这些结果表明，利用软骨细胞膜包覆的纳米颗粒可改善抗OA药物的药代动力学和疗效，具有可行性。
Anabolic indices of matrix proteins identify regenerative small RNA intrinsic to human cartilage
基质蛋白的合成指标有助于识别人体软骨中固有的、具有再生功能的短链 RNA
SCIENCE ADVANCES 2025
一些脊椎动物通过在囊泡中表达的小型非编码 RNA（smRNA）作用来再生附属物。受这些模型启发，我们研究了类似的 smRNA 介导机制是否可能促进人体软骨的内在修复能力。虽然人类无法再生整个肢体，但关节干扰后指尖再生和关节软骨修复显示潜在再生潜力。利用质谱和 RNA 测序，我们量化了软骨细胞外基质蛋白的合成代谢指标，并识别出 69 种与骨关节炎软骨再生相关的 smRNA-6，这些 RNA 在不同物种（人类、钝口螈、斑马鱼和比奇尔）中协调调控，包括微小 RNA 21（miR-21）。miR-21 增强了关键软骨形成基因的表达，减少软骨降解，并抑制了人体软骨和软骨细胞的细胞因子分泌。与膝盖和髋关节不同，踝关节软骨在骨关节炎应激下展现出再生能力，为可再生的允许关节环境提供了模型，为骨关节炎治疗提供参考。
3D-printed high-stiffness and antiswelling Diels-Alder crosslinked polycarbonate-based polyurethane for meniscal substitution
用于半月板置换的 3D 打印高刚性、抗膨胀的 Diels-Alder 交联聚碳酸酯基聚氨酯材料
SCIENCE CHINA-TECHNOLOGICAL SCIENCES 2025
要开发出能够满足高模量、抗膨胀性和形状适应性等严格要求的半月板替代物，仍然面临着巨大挑战。本文中，研究人员通过在聚碳酸酯基聚氨酯的硬段中引入二烯-醛反应生成的共价键，从而构建出了具有动态共价交联结构的聚合物。一方面，二烯-醛键在低温下的稳定性有助于将分子链固定在硬质结构中，从而确保了该弹性体在生理条件下的优异性能。另一方面，二烯-醛键在高温下会断裂，从而使分子链能够自由移动。这一特性使得该材料能够通过三维打印技术来制造出形状与天然半月板极为相似的支架。这种人工制造的半月板替代物被植入兔子的膝关节中，持续 12 周。实验结果表明，该替代物在减轻软骨表面损伤方面具有出色的效果。
Tgfβ signaling stimulates glycolysis to promote the genesis of synovial joint interzone in developing mouse embryonic limbs
TGFβ信号通路能够刺激糖酵解过程，从而促进发育中的小鼠胚胎肢体中滑膜关节间区的形成
SCIENCE ADVANCES 2025
滑膜关节的初始区间细胞起源于软骨细胞，但这种关键转变的理解有限。通过对小鼠胚胎膝关节原初的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），我们发现糖酵解基因表达增强的表现比侧翼软骨细胞更能体现发育中的区间细胞。在初生前骨骼间充质中 Prx1Cre 或软骨细胞中 Col2Cre 中，葡萄糖转运蛋白 Glut1 和/或 Glut3 的条件性缺失，会对区间形成产生依赖性破坏。相比之下，在已建立的区间细胞中，带有 Gdf5Cre 的 Glut1/3 缺失则未对关节发育造成类似的严重破坏。scRNA-seq 揭示 Prx1Cre 对 Glut1/3 的缺失阻碍发育中区间细胞中的 Tgf β信号传导。直接用 Prx1Cre 消除 Tgf β信号，部分表型反射，导致 Glut1/3 缺失，从而损害区间形成。Tgf β通过体外激活 mTOR 和 Hif1 α刺激软骨细胞的糖酵解。数据支持软骨细胞向区间细胞的必要转换需要糖酵解的短暂提升，部分依赖于 Tgf β信号。
Engineered MgO nanoparticles for cartilage-bone synergistic therapy
用于软骨-骨骼协同治疗的工程化 MgO 纳米粒子
SCIENCE ADVANCES 2024
针对骨关节炎的治疗策略正在向更为全面的方法转变，这些方法旨在同时作用于关节周围的软骨和软骨下骨。这一趋势促使人们研发出能够同时作用于多种组织和细胞的单一成分疗法。镁是一种对维持骨骼健康至关重要的元素，其在治疗骨关节炎方面显示出潜力。不过，镁对软骨和软骨下骨的具体作用机制尚不清楚。本研究探讨了 Mg2+在骨关节炎治疗中的效果，发现其在细胞和动物实验层面均具有保护软骨和骨骼的作用。镁对软骨-骨骼相互作用的有益作用主要是通过 PI3K/AKT 信号通路来实现的。此外，我们还研发出了载有经硬脂酸修饰的纳米氧化镁的聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球（MgO&SA@PLGA），可用于关节内注射。这些微球在缓解大鼠模型中的骨关节炎方面表现出显著效果，充分体现了其在临床应用中的巨大潜力。
Ultra-wideband radar to measure in vivo muscle forces
用于测量体内肌肉力量的超宽带雷达
SCIENCE ROBOTICS 2026
精确测量肌肉力量对工程师、临床医生和生物力学专家来说至关重要。不过，直接测量方式具有很强的侵入性，而现有的估算方法在精度方面也有所局限。在这里，我们展示了如何利用超宽带雷达传感器来无创地测量肌肉力量：通过检测肌肉在各种静态和动态条件下的电磁特性变化，以及肌肉在疲劳状态下的变化情况来实现这一目标。首先，我们证明了超宽带雷达能够准确检测单叶结构的膝关节伸肌（股外侧肌）以及双叶结构的踝关节背屈肌（胫前肌）所产生的力量。接着，我们将雷达信号与机器学习和线性模型相结合，从而能够非常精确地估算出肌肉在疲劳状态下进行等长和动态伸展运动时所产生的力量。最后，我们还研究了雷达频率对测量结果的影响。肌肉力量与超宽带雷达信号之间的关系表明，这些效应与那些已知会影响肌肉力量的生理和结构因素无关。综上所述，超宽带雷达有望成为一种无创式传感器，可用于测量体内的肌肉力量。这一技术有望被应用于可穿戴辅助设备、生物力学研究以及康复领域。
Flexible assistance strategy of lower limb rehabilitation exoskeleton based on admittance model
基于导纳模型的下肢康复外骨骼的灵活辅助策略
SCIENCE CHINA-TECHNOLOGICAL SCIENCES 2024
基于外骨骼的训练是一种有效的中风患者康复方法。不过，目前一些康复用外骨骼在佩戴舒适性方面仍有不足，且在训练过程中人与机器人的交互存在明显障碍，这容易给患者带来额外的伤害。本研究提出了一种可变导纳控制策略，通过调整导纳参数来适应不同使用者的需求，从而提升佩戴舒适性。该控制系统包含两个反馈回路：位置内环和导纳外环。同时，研究人员建立了包含未知摩擦干扰的外骨骼拉格朗日模型。通过李亚普诺夫理论和状态观测器反步法，外骨骼的关节位置误差可被有效控制，使其趋近于零。仿真与实验结果均验证了该控制策略的有效性。髋关节和膝关节的跟踪误差均小于 4 度，同时人机交互过程中的扭矩也处于操作员所能接受的范围内。
Tissue-integrated bionic knee restores versatile legged movement after amputation
与组织相融合的仿生膝盖，能在截肢后帮助患者恢复各种正常的腿部活动能力
SCIENCE 2025
下肢假肢通过不断的机械结构改进而不断发展，这些改进旨在提升假肢在循环运动中的性能。然而，这种有限的修复方式阻碍了人类运动能力的全面恢复。我们研发了一种与骨骼相融合的机械神经假肢，该假肢结合了经过改良的硬组织和软组织，以及永久性植入的硬件装置。我们实现了神经肌肉信号与关节运动之间的仿生式耦合，其效果远远优于现有的控制方式------后者依赖于传统的截肢后肌肉结构及表面肌电图技术。研究结果还表明，良好的神经肌肉功能有助于使假肢的运动速度超过正常生理状态下的运动速度。为了达到甚至超越完整肢体的运动能力，可能有必要将假体与人体解剖结构相融合。
AI-driven universal lower-limb exoskeleton system for community ambulation
由人工智能驱动的、适用于社区内行走的通用型下肢外骨骼系统
SCIENCE ADVANCES 2024
外骨骼技术为提升人类的移动能力提供了有效的解决方案。不过，其中一个关键挑战在于如何确保控制装置能够根据不同的行走条件做出相应的调整。我们研发了一种由人工智能驱动的通用外骨骼系统：该系统能够根据不同的行走模式动态调整辅助方式，根据地面坡度来调节辅助力度，并根据当前的行走阶段实时提供适当的辅助。在跑步机测试中，人工智能辅助方式使代谢成本降低了 6.5%，而传统辅助方式仅降低了 3.5%。在现实环境中的行走测试中，人工智能辅助方式同样表现优异，其辅助效果更佳，用户也更喜欢这种辅助方式。借助人工智能技术以及丰富的数据集，该控制装置在环境和用户状态识别方面取得了更出色的性能。这种方法无需单独的模式识别器，且其运作方式与用户无关，因此可以轻松应用于各种不同的环境条件中。该研究充分体现了人工智能驱动的外骨骼技术在帮助人类在现实环境中行走方面的巨大潜力。
Wireless, customizable coaxially shielded coils for magnetic resonance imaging
用于磁共振成像的无线、可定制同轴屏蔽线圈
SCIENCE ADVANCES 2024
在磁共振成像中，用于信号采集的射频接收线圈阵列通常具有体积庞大、结构固定且僵硬的缺点。这些缺点不仅会给患者带来不适感，还会增加定位的难度，同时在某些情况下还会降低信号灵敏度。本文利用同轴电缆所具有的柔韧性和电场约束特性，开发出了无线、超轻量的同轴屏蔽式被动式接收线圈。这类线圈的信噪比可与市面上最先进的接收线圈阵列相媲美，甚至更优。此外，该技术还有助于提升患者舒适度、简化使用流程，并大幅降低成本。所开发的线圈具有很高的灵活性：既可以单独使用，以适应各种复杂的解剖结构；也可以通过感应耦合的方式组合使用。这种超材料使得 MRI 线圈的覆盖范围得以扩大，从而能够覆盖更大的解剖区域，同时又不影响线圈的灵敏度。本文所介绍的无线、同轴屏蔽式 MRI 线圈，为下一代 MRI 线圈的发展奠定了基础。
Deep domain adaptation eliminates costly data required for task-agnostic wearable robotic control
深度领域适应技术消除了那些在实现任务无关的可穿戴机器人控制时所必需的、成本高昂的数据处理需求
SCIENCE ROBOTICS 2025
数据驱动的方法极大地提升了我们利用可穿戴机器人来评估和应对人类运动的能力，有望为现实世界的康复与辅助功能应用带来巨大好处。不过，随着数据驱动方法的广泛应用，人们对个性化程度和性能的要求也不断提高，这就需要大量高质量、与特定设备相关的数据。但由于资源和人力成本的限制，获取这些数据往往十分困难。我们提出了一种解决方案：利用生物力学模型中的模拟传感器来构建一个"过渡域"，从而将容易获取的数据转化为适用于其他场景的数据。我们开发并优化了一种深度学习模型，该模型能够用开源数据集以及未标记的外骨骼数据来替代那些成本高昂的、与特定设备相关的数据。通过该模型，我们成功训练出了用于评估髋关节和膝关节扭矩的算法，其性能可与最优秀的算法相媲美。该模型是使用完整的、针对特定设备的训练数据集进行训练的。与半监督模型相比，其误差仅增加了 11%到 20%，即每千克 0.019 到 0.028 牛顿-米；而对于无监督模型而言，误差则增加了 20%到 44%，即每千克 0.033 到 0.062 牛顿-米。我们的模型性能明显优于那些没有经过领域适应处理的模型：后者的半监督模型误差为 36%到 45%，无监督模型误差则高达 50%到 60%。将我们的模型应用于髋关节/膝关节外骨骼装置的实时控制系统中后，其性能与离线测试结果相当。此外，这些模型还能有效提升用户的性能------与不使用外骨骼装置相比，用户的代谢成本可降低 9.5%到 14.6%。该框架使得研究人员即便在缺乏或只能获取少量带有标签的、特定于设备的数据的情况下，也能训练出可实时应用的、适用于各种任务的深度学习模型。
Nanoparticle-based inhibition of vascular endothelial growth factor receptors alleviates osteoarthritis pain and cartilage damage
基于纳米粒子的血管内皮生长因子受体抑制机制，可有效缓解骨关节炎带来的疼痛并减轻软骨损伤
SCIENCE ADVANCES 2024
骨关节炎的特点是软骨损伤、炎症和疼痛。血管内皮生长因子受体与骨关节炎的严重程度有关，这说明，通过抑制这些受体，可以缓解疼痛（通过 VEGFR1 发挥作用）或阻止软骨退化（通过 VEGFR2 发挥作用）。我们研发了一种基于纳米粒子的帕唑帕尼制剂------Nano-PAZII。帕唑帕尼是一种已获得 FDA 批准的抗癌药物，能够同时作用于 VEGFR1 和 VEGFR2。在两种不同的临床前骨关节炎动物模型中，我们发现，只需一次关节内注射 Nano-PAZII，就能有效缓解疼痛，且不会产生严重的副作用。这两种动物模型分别采用了手术方式（部分内侧半月板切除术）和非手术方式来诱发骨关节炎。Nano-PAZII 通过抑制 VEGFR1 发挥作用，从而减轻骨关节炎引起的疼痛。其机制包括抑制感觉神经元向膝关节滑膜的侵入，以及抑制背根神经节中的神经元可塑性变化。脊髓。同时，抑制 VEGFR2 还能减轻软骨的退化。这些发现为治疗骨关节炎提供了一种基于机制的药物策略，该策略既能缓解疼痛症状，又能防止软骨流失。
Encoding mechanical intelligence using ultraprogrammable joints
利用超可编程关节来实现机械智能的编码处理
SCIENCE ADVANCES 2025
动物的身体相当于一种"物理控制器"：通过其精确调节的被动机械反应，动物能够"编码"出复杂的动作和与环境之间的互动。这一能力使得动物只需最少的肌肉或神经活动就能完成各种复杂的任务，这种现象被称为"具身智能"。不过，要制造出具备类似功能的机器人仍然面临挑战，因为目前还缺乏那些具有大量可调节参数的机械结构------比如可调节的刚度。而这种可调节性正是实现具身智能的关键因素，就如同神经网络中的可编程参数一样。我们发明了一种弹性滚动凸轮，其旋转刚度可以精确地被设定。在模拟实验中，该凸轮能够完美再现 10 万种随机生成的刚度曲线。我们已经制造出了尺寸从几毫米到几厘米不等的原型产品。为了展示通过调节弹性滚动凸轮的刚度所带来的机械智能效果......我们设计了一种双足机器人，其膝关节采用了经过优化的 ERC 被动式结构。这样一来，该机器人能够在不平坦的地形上实现高效能、稳定的行走。此外，我们还展示了一款配备 ERC 关节的四轴无人机：这些关节能够在受到冲击时触发两种不同的形态变化。
A self-assembled nano micelle-exosome with high selectivity and penetrability achieves precise intracartilage lipid delivery
一种具有高选择性和高渗透性的自组装纳米胶束-外泌体结构，能够实现精确的软骨内脂质输送
SCIENCE ADVANCES 2025
为了解决骨关节炎软骨中药物生物利用度极低的难题，我们开发了一种根据骨关节炎软骨的特异性特征而设计的自组装微胶粒-外泌体系统。该系统的疏水脂质层有助于有效负载治疗性脂质（如 DHA）；同时，1,2-二油酰-3-三甲基铵丙烷的加入能够改变表面的电荷性质，从而提升药物的渗透能力。亲水性的聚乙二醇外壳则能防止该系统被快速清除或被不必要的内吞作用所破坏。微胶粒中的两亲性单体包含一种对基质金属蛋白酶具有响应性的肽段（GPLGVRG）。当病变部位的基质金属蛋白酶活性升高时，该肽段会被水解，从而促使药物被附近的软骨细胞迅速吸收。体外实验证实，该系统对骨关节炎软骨细胞具有高度选择性，且能够实现快速渗透。在动物模型中，DHA/Mic-Exo 组显著延缓了骨关节炎的进展。这一结果体现在：OARSI 评分有所下降，软骨厚度损失也有所减轻。
NFIA regulates articular chondrocyte fatty acid metabolism and joint homeostasis
NFIA 负责调节关节软骨细胞的脂肪酸代谢以及关节的稳态功能
SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 2025
骨关节炎是一种与代谢功能障碍相关的关节疾病。不过，其背后的具体机制尚未明确，这也限制了治疗手段的开发和应用。在这项研究中，我们采用了多组学分析方法，包括 RNA 测序、ATAC-seq、MRE-seq 以及代谢组学分析。研究发现，由于转化生长因子-β和骨形态发生蛋白信号传导失衡，骨关节炎患者的关节软骨细胞中脂肪酸的合成和氧化过程增强，这一过程是由核因子 I A 的过度激活所调控的。抑制核因子 I A 后，包括乙酰辅酶 A 羧化酶 A 和肉碱棕榈酰转移酶 2 在内的关键代谢酶的基因表达水平下降，从而恢复了小鼠和人类骨关节炎患者关节软骨细胞中的脂肪酸代谢和细胞稳态。肥胖小鼠则表现出代谢压力。在关节组织中，NFIA、ACACA 和 CPT2 的表达均有所增加。同时，关节损伤后还会出现严重的滑膜炎、软骨退化、软骨下骨硬化以及疼痛。在肥胖小鼠中，通过抑制 NFIA 或抑制脂肪酸代谢，可以维持关节的完整性，减轻由关节损伤引起的滑膜炎和疼痛。总体而言，这项研究明确了 NFIA 在调节脂肪酸代谢和关节软骨细胞稳态中的作用，同时指出脂肪酸代谢可能是治疗骨关节炎的潜在靶点，尤其是在肥胖情况下。
Microcrystallization-gelation enabled mechanocompatible and antibacterial hydrogels for cartilage repair
通过微晶化-凝胶化技术，可制备出既具有机械相容性又具有抗菌性能的水凝胶，这些水凝胶可用于软骨修复
修复软骨缺陷需要使用具有与天然软骨相似机械性能的生物材料。然而，如何在保持这些机械性能的同时确保材料的生物降解性，仍然是一个重大挑战。在这项研究中，研究人员开发出一种具有优异机械性能的可降解抗菌水凝胶，可用于个性化软骨缺陷的修复。该水凝胶是通过壳聚糖和明胶经过微晶化和凝胶化处理后制成的，同时还通过环氧氯丙烷进行了化学交联处理。这一工艺显著提升了材料的机械性能：最佳条件下的压缩模量为 0.2 MPa，拉伸强度为 2.2 MPa，这些数值与人类软骨的性能相当。该水凝胶在经过 50,000 次压缩后仍能保持其完整性。由于在交联处理前具有出色的流动性，该水凝胶能够很好地适应复杂的软骨缺陷。此外，水凝胶中还添加了庆大霉素，具有抗菌作用。该水凝胶具有多种交联机制，从而在机械强度、生物降解性和适应性之间取得了良好的平衡。因此，它有望成为修复受感染软骨缺陷的理想解决方案。同时，纳米羟基磷灰石则有助于促进骨组织的生成。
A sulfobetaine polyurethane for substitutable meniscus implant with excellent mechanical, tribological, and biological properties
一种用于替代半月板移植物的磺基甜菜碱聚氨酯材料，具有出色的机械性能、摩擦学性能和生物相容性
Adipose-cartilage communication via EV-Mito-mtDNA signaling promotes osteoarthritis progression
通过 EV-Mito-mtDNA 信号通路，脂肪组织与软骨之间的相互作用会促进骨关节炎的发展
SCIENCE ADVANCES 2026
肥胖是导致骨关节炎的主要风险因素，但过量脂肪与关节退化之间的具体机制至今仍不完全清楚。本研究发现，由脂肪细胞产生的、富含线粒体成分的细胞外囊泡，能够将线粒体 DNA 传递给软骨细胞。这些被细胞吸收的线粒体 DNA 会激活 cGAS-STING 信号通路，从而引发炎症反应、代谢紊乱、细胞衰老以及软骨退化，这一过程在鼠类和人类模型中都有体现。通过基因或药物手段抑制 cGAS-STING 信号通路，可以减轻软骨损伤、疼痛症状和步态异常。多项研究还表明，与体重指数相比，体脂百分比与骨关节炎的风险和严重程度有更密切的关系。在一项运动研究中，高强度间歇训练也有助于改善骨关节炎症状。该研究发现，选择性减少脂肪堆积后，与滑液中富含脂肪相关因子的 EVs 中 mtDNA 的含量降低有关；同时，滑液中的 2',3'-环状 GMP-AMP 水平也有所下降。此外，OA 症状也有明显改善。这些发现表明，EVs、线粒体、mtDNA 和 cGAS-STING 信号通路之间存在着密切的联系，这一通路将脂肪组织与关节病变联系起来。因此，针对脂肪的干预措施有望成为预防和治疗肥胖相关 OA 的有效策略。
Therapist-exoskeleton-patient interaction for gait therapy
治疗师、外骨骼装置与患者之间的互动在步态治疗中的应用
SCIENCE ROBOTICS 2026
中风后，由于下肢无力且无法独立控制关节活动，患者常常会出现行动不便的问题。因此，步态恢复成为物理康复的主要目标。传统上，这一目标是通过高强度的、由治疗师主导的训练来实现的。不过，传统的治疗方法需要治疗师进行手动辅助或施加阻力，这不仅会耗费治疗师的大量体力，还难以同时处理多个关节的问题。机器人外骨骼技术则有望解决这些问题：它能够为多个关节提供支持，减轻治疗师的负担，同时还能提供客观的训练反馈。不过，现有的外骨骼控制方式限制了治疗师的作用，也难以根据患者的需求进行调整，这可能不利于该技术的临床应用和效果提升。在这项研究中，我们提出了一种基于人机交互的步态康复方案，我们将其称为"治疗师-外骨骼-患者"交互模式。在患者互动疗法中，治疗师和中风患者都佩戴了下肢外骨骼装置，这些装置通过弹簧-减震装置在髋部和膝盖处相互连接。这种连接方式使得双向物理互动成为可能：治疗师可以引导患者的动作，同时也能获得实时的触觉反馈。我们以 8 名慢性中风患者为对象进行了这项研究，将 TEPI 疗法与传统的、由治疗师指导的步行训练进行了比较。结果表明，与传统疗法相比，TEPI 疗法能显著增加关节的活动范围、提高步幅和步高；肌肉激活程度也相当；此外，患者对这种疗法的满意度和积极性也很高。这些发现表明，TEPI 疗法能够将机器人的精确性与治疗师的直觉相结合，从而有效提升中风患者的康复效果。
