生物医学工程涵盖了广泛的临床应用研究，从创建外科植入物到利用物理学改善医学成像。在这里，我们专注于三位研究人员，他们的基础工作为这样的医疗保健解决方案铺平了道路。邓新宇：冰冷的安慰 水凝胶是生物医学工程师最喜欢的材料之一，因为它们水分丰富、极具多孔性和弹性，能够紧密模拟人类组织。但邓新宇表示，它们面临一些主要的局限性：“它们通常相当脆弱，并且高含水量使它们在环境条件变化时对脱水和结冰敏感。”邓新宇是新加坡国立大学（NUS）的材料科学家，她利用冷冻铸造技术创造下一代高性能水凝胶，这种技术通常用于制造用作骨修复的三维模板的陶瓷支架。冷冻铸造也称为冰模板法，涉及将材料与水混合形成浆料，放入模具中，然后利用温度梯度使冰晶朝特定方向生长。这就迫使浆料的颗粒填充到晶体之间的空间中，因此在蒸发冰后，“留下的是有序的孔隙网络”，邓解释道。邓于2020年在NUS进行博士研究期间开始实验冷冻铸造，创建模拟骨结构的多孔陶瓷支架：既强大又能够在不破裂的情况下变形。后来她将这一方法应用于气凝胶——主要由空气组成的超轻材料——和水凝胶。邓表示：“这些材料截然不同。但基本思路是相同的：通过控制它们在不同尺度上的结构，我们可以改变它们的行为并赋予它们有用的属性。”在2024年，邓提出了一种冷冻铸造的新方法：而不是在冷冻后蒸发冰，模具被移除并浸泡在冷却的有机溶剂中。随着冰逐渐溶解到溶剂中，有机液体填补了新形成的凝胶中的通道，聚合物墙被拉得更近，从而增加了它们之间的连接。溶剂还将盐离子引入基质，使材料具有导电性。结果是什么？更坚韧、强度更高、可拉伸的类似皮肤的有机水凝胶——非常适合用于可穿戴电子设备和软机器人。邓和她的合作者在《自然通讯》中描述了其中一种应用，她说：“我们开发了一种基于软水凝胶的电子皮肤，与身体形成紧密而稳定的接触。”当与手环结合时，凝胶可以用来监测皮肤温度、脉搏和汗液浓度。作为本科生，邓在中国苏州大学学习材料科学，然后转向机械工程进行博士研究。她表示，这种结合帮助她获得了材料特性如何“通过制造和结构设计塑造”以及“如何用于解决实际工程问题”的重要见解。邓将她从小受到父亲启发的解决问题的能力归功于他。她的父亲经常出差，并带回“奇怪而好奇”的玩具，她喜欢将它们拆开再重新组装。现在邓希望将这种创造力用于开发个性化医疗技术，以修复组织、治疗疾病和监测健康。她说：“真正的机会是创造可编程的水凝胶材料，其物理、机械和生物特性可以为特定的组织、患者和临床需求量身定制。”——桑迪·翁 詹姆斯·伊尔斯：强信号 身体对丙酮酸等天然代谢物的转化可以通过设备（如磁共振成像 (MRI) 扫描仪）进行可视化。这是因为每种代谢物的化学状态发出独特的磁信号，提供细胞代谢的实时读数。然而，这些信号本质上很弱，因为只有少量的原子核在这些分子中与即使是最强大的扫描仪发出的磁场对齐。对于德国于利希研究中心超极化方法实验室的负责人詹姆斯·伊尔斯来说，创新性的超极化技术是增强磁信号的最有前景的答案，这也是 MRI 和核磁共振 (NMR) 中最大的挑战之一。超极化使原子的核自旋朝同一方向指向，增加与磁场对齐的自旋比例，使不可检测的信号变得可见。伊尔斯说：“使用超极化的丙酮酸使临床医生能够比传统成像更好地监测疾病。”